ЩЕТКА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК H01R39/18 H01R39/40 

Изобретение относится к электротехнике и касается щеток для электрических машин, работающих в условиях повышенных электрических и вибрационных нагрузок, например, тяговых электродвигателей.

Известны щетки для электрических машин, которые устанавливаются в щеткодержатели с постоянным нажатием нажимного устройства в верхней части щетки, которая содержит скошенную относительно оси под углом в верхней плоскости площадку для нажимного устройства (а.с. 1020898, кл. H 01 K 39/40 от 30.05.1983 г. [1] - прототип).

Недостатком известной щетки является невозможность обеспечения надежности и стабильности контакта в условиях повышенных электрических и вибрационных нагрузок. Это вызвано тем, что угол скоса (β) площадки для нажимного устройства, как правило, выбирают эмпирическим путем без учета соотношения между удельным нажатием (p) на щетку и силами трения (F_тр) щетки о боковые поверхности щеткодержателя и о коллектор, поэтому не обеспечивается устойчивость щетки против внешних возмущающих усилий от силы трения в зоне скользящего контакта и, как следствие, нарушается коммутация.

Весьма важным условием для обеспечения устойчивости щетки против тангенциальных вибраций при этом является соотношение между тангенциальным (t) и радиальным (r) размерами щетки, в частности, сочетание малого размера t с большим размером r приводит к потере устойчивости щетки, к нарушению коммутации. В известной щетке отмеченные два фактора установлены в пределах:
β : p = 0,83 - 1,50 градус/кПа,
t : r = 0,125 - 0,195.

Как показала практика, при этих соотношениях устойчивость щетки от вибраций и поддержание надежного механического и электрического контакта между щеткой и коллектором не обеспечиваются.

В качестве мер борьбы с отмеченными нарушениями работы щеток используют известные виды различных амортизирующих устройств, в частности резиновых накладок определенной геометрической формы, устанавливаемых между нажимным устройством и щеткой (см. патент РФ N 2025843, кл. H 01 R 39/40 от 30.12. 1994 г. [2] - аналог).

Однако и эта конструкция не позволяет в полной мере удовлетворить требования по надежной работе щеток в экстремальных условиях. Во-первых, сам материал, из которого изготавливаются накладки, - резина, под действием чередующихся минусовых и плюсовых температур быстро "стареет", теряет свою эластичность и перестает выполнять функцию амортизатора; во-вторых, токоведущие провода, проходящие сквозь отверстия в резиновой накладке, оказываются в тепловом экране, который препятствует отводу тепла в местах крепления проводов к телу щетки и вызывает перегрев узлов крепления.

Кроме того, рабочий ресурс щеток с данными накладками уменьшен на размер толщины накладки.

Цель изобретения - обеспечение надежности и стабильности контакта при работе в условиях повышенных электрических и вибрационных нагрузок. Цель достигается тем, что предлагаемая щетка лишена вышеуказанных недостатков.

Отличия предложенной щетки заключается в том, что в щетке для электрической машины, содержащей скошенную относительно оси под углом в верхней плоскости площадку для нажимного устройства, преимущественно постоянного нажатия, отношение угла скоса площади к величине удельного нажатия устанавливается в пределах 0,36 - 0,82 градус/кПа, причем соотношение тангенциального и радиального размеров щетки находится в пределах 0,20 - 0,40.

Сущность изобретения дополнительно поясняется чертежом.

Щетка 2 установлена в обойме щеткодержателя 3 служит для токосъема на коллектор 1. В верхней части щетка 2 имеет площадку 4, скошенную под углом β относительно оси 5, для нажимного устройства 6.

Наличие скошенной под углом β площадки 4 позволяет разложить силу P нажимного устройства на две составляющие: P_в - вертикальную, P_г - горизонтальную. Сила P_г постоянно прижимает щетку к стенке щеткодержателя и препятствует ее опрокидыванию в обойме. Сила P_в и сила F_тр способствуют смещению щетки от стенки щеткодержателя. Устойчивость щетки относительно точки "A" обеспечивается следующим условием моментов (М) сил:
M(P_г) + M(F_тр) = M(P_в),
Psinβ(r-H)+PcosβμH = Pcosβt/2,
где μ - коэффициент трения щетки о коллектор,
что позволяет сделать следующие выводы:
- устойчивость щетки в тангенциальном направлении не зависит от силы нажатия P;
- при равенстве r = H для обеспечения устойчивости щетки необходимо выполнить условие t = 2r : μ, так как для щеток μ = 0,1 - 0,2, то условие обеспечения устойчивости в тангенциальном направлении определяется следующим соотношением: t : r = 0,2 - 0,4.

Эффективность эксплуатации щетки достигается выбором соотношения между углом скоса (β) и удельным нажатием на щетку (p) в пределах 0,36 - 0,82 градус/кПа, соотношения тангенциального (t) и радиального (r) размеров щетки в пределах 0,20 - 0,40 и иллюстрируется результатами испытаний предложенной щетки на тяговом электродвигателе ДК 116 вагона метрополитена (см.таблицу).

Как следует из представленных данных, применение предложенных щеток по сравнению с прототипом позволяет реализовать следующие преимущества:
- повышается стабильность и надежность контакта, снижается износ щеток на 9-20%;
- увеличивается срок службы в 1,2-2,5 раза;
- улучшается состояние щеточно-коллекторного узла.

При изменении соотношений β : p и t : r эффективность эксплуатации щеток снижается.

При увеличении соотношения β : p выше предлагаемого предела увеличиваются случаи отрыва щетки от коллектора, что сопровождается повышенным искрением щеток и перегревами токоведущих проводов, при снижении - наблюдается перегрев щеток и повышенный их износ из-за появления "двойного зеркала" при реверсе электрической машины.

При увеличении соотношения t : p снижается срок службы щеток из-за малого рабочего ресурса, при снижении - возникают ограничения по установке щеток из-за увеличенной их высоты.

Список использованных источников
1. А. с. 1020898, кл. H 01 K 39/40 от 30.05.1983 г. "Щеткодержатель для электрической машины".

2. Патент РФ N 2025843, кл. H 01 K 39/18 от 30.12.1994 г. "Щетка для электрических машин".

Предлагаемая щетка предназначена для электрических машин, работающих в условиях повышенных электрических и вибрационных нагрузок, например тяговых электродвигателей. Щетка содержит скошенную относительно оси под углом в верхней плоскости площадку для нажимного устройства, преимущественно постоянного нажатия, и отличается от известных тем, что отношение угла скоса площадки к величине удельного нажатия выбирают в пределах 0,36 - 0,82, причем соотношение тангенциального и радиального размеров щетки устанавливают в пределах 0,2 - 0,40. Указанные соотношения позволяют обеспечить устойчивость работы скользящего контакта при повышенных электрических и вибрационных нагрузках, что позволяет в эксплуатации по сравнению с известными снизить износ щеток на 9 - 20%, увеличить срок службы щеток в 1,2 - 2,5 раза, улучшить состояние щеточно-коллекторного узла. 1 ил., 1 табл.

Щетка для электрической машины, содержащая скошенную относительно оси под углом в верхней плоскости площадку для нажимного устройства, преимущественно постоянного нажатия, отличающаяся тем, что отношение угла скоса площадки к величине удельного нажатия выбирают в пределах 0,36 - 0,82 градус/кПа, причем соотношение тангенциального и радиального размеров щетки находится в пределах 0,20 - 0,40.