ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2008 года по МПК H01R39/40 

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к высокоскоростным коллекторным электрическим машинам (КЭМ) с тяжелыми условиями коммутации и искусственной воздушной вентиляцией.

При работе КЭМ ее щетки подвержены механическим тангенциальным колебаниям, которые ухудшают стабильность электрического скользящего контакта между щетками и коллектором. Это приводит к повышенному искрению в скользящем контакте, быстрому износу его деталей и, как следствие, к низкой надежности КЭМ. Снижение надежности происходит также из-за скопления продуктов износа деталей КЭМ в зазорах между щеткой и корпусом щеткодержателя. Это может привести к заклиниванию щетки и аварии КЭМ.

Известен щеточно-коллекторный узел электрической машины [1], который содержит коллектор, корпус щеткодержателя, щетку, нажимное устройство и прижимное устройство в виде упругого элемента. Щетка вставлена в корпус щеткодержателя и прижата в радиальном направлении к коллектору нажимным устройством для создания скользящего контакта. Упругий элемент одним концом закреплен на корпусе щеткодержателя, а другим опирается на сбегающую грань щетки. При этом у щетки за счет силы F прижатия ее упругим элементом в тангенциальном направлении к стенке корпуса щеткодержателя устраняется перекос в тангенциальном направлении и тангенциальные колебания.

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность. Это обусловлено тем, что прижимное устройство при механическом контакте со щеткой создает дополнительную поверхность трения, увеличивая силу трения между щеткой и щеткодержателем. Это ухудшает динамические свойства щетки и при неизбежных колебаниях щетки в радиальном направлении она не отслеживает профиль коллектора, что ограничивает повышение стабильности скользящего контакта. Продукты износа щетки и других деталей КЭМ, накапливаясь в зазорах между щеткой и корпусом щеткодержателя, приводят к заклиниванию щетки и аварии электрической машины.

Наиболее близким к заявляемому решению по максимальной совокупности существенных признаков и достигаемому результату является щеточно-коллекторный узел электрической машины [2], который содержит коллектор, корпус щеткодержателя, щетку, нажимное устройство и прижимное устройство в виде магнита. Щетка вставлена в корпус щеткодержателя и прижата в радиальном направлении к коллектору нажимным устройством для создания скользящего контакта.

Стенки корпуса щеткодержателя являются прижимным устройством. Они перпендикулярны оси вращения коллектора и выполнены в виде полюсов магнита. Щетка при этом находится в магнитном поле, имеющем аксиальное направление. В статическом состоянии сила F прижатия щетки в тангенциальном направлении к стенке корпуса щеткодержателя отсутствует.

При работе КЭМ электрический ток в щетке, перпендикулярный магнитным силовым линиям, взаимодействуя с магнитным полем, создает силу F, которая прижимает щетку в тангенциальном направлении к сбегающей стенке корпуса щеткодержателя, параллельной оси коллектора. Поэтому у щетки за счет силы F прижатия ее к стенке корпуса щеткодержателя отсутствуют перекос в тангенциальном направлении и тангенциальные колебания. Поскольку прижим щетки к стенке корпуса щеткодержателя осуществляется бесконтактно, то исключается дополнительная поверхность и сила трения щетки об элементы щеткодержателя. Отсутствие дополнительной поверхности и силы трения улучшает динамические свойства щетки, что повышает стабильность скользящего контакта.

Однако надежность такого устройства остается недостаточно высокой. Это обусловлено тем, что продукты износа деталей КЭМ и особенно ферромагнитные частицы, накапливаясь в зазорах между щеткой и корпусом щеткодержателя, приводят к заклиниванию щетки и аварии КЭМ.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании щеточно-коллекторного узла КЭМ, обладающего повышенной надежностью за счет предотвращения заклинивания щетки в корпусе щеткодержателя и снижающего степень искрения в скользящем контакте КЭМ благодаря созданию направленного воздушного потока в щеточно-коллекторном узле.

Для решения поставленной задачи в щеточно-коллекторном узле электрической машины, содержащем коллектор, щетку, установленную в корпус щеткодержателя, нажимное устройство и прижимное устройство, при этом щетка прижата нажимным устройством в радиальном направлении к коллектору, а прижимным устройством - в тангенциальном направлении к сбегающей стенке корпуса щеткодержателя, прижимное устройство выполнено в виде воздухозаборника, установленного на набегающей стенке корпуса щеткодержателя, набегающая стенка корпуса щеткодержателя выполнена со сквозным отверстием, при этом выходной конец воздухозаборника соединен с набегающей стенкой корпуса щеткодержателя, выходное отверстие воздухозаборника совпадает с отверстием в набегающей стенке корпуса щеткодержателя, а входной конец воздухозаборника направлен навстречу воздушному потоку искусственной воздушной вентиляции.

Выполнение прижимного устройства в виде воздухозаборника, установка его на набегающей стенке корпуса щеткодержателя, выполнение набегающей стенки корпуса щеткодержателя со сквозным отверстием, соединение выходного конца воздухозаборника с набегающей стенкой корпуса щеткодержателя, совмещение выходного отверстия воздухозаборника с отверстием в набегающей стенке корпуса щеткодержателя и направление входного конца воздухозаборника навстречу воздушному потоку искусственной воздушной вентиляции отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Благодаря существенным отличительным признакам в совокупности с остальными признаками заявляемого устройства оно имеет повышенную надежность и пониженную степень искрения в скользящем контакте.

Это обусловлено тем, что воздушный поток искусственной воздушной вентиляции, обеспечивая надежное прижатие щетки к сбегающей стенке корпуса щеткодержателя, осуществляет выдувание продуктов износа деталей КЭМ из зазоров между щеткой и корпусом щеткодержателя, что исключает скопление там продуктов износа и, как следствие, заклинивание щетки. Вследствие этого заявляемое устройство имеет повышенную надежность.

Одновременно воздушный поток через зазоры между щеткой и корпусом щеткодержателя, обдувая коллектор, охлаждает его. Это приводит к уменьшению тепловых деформаций коллектора и к стабилизации его профиля. В результате этого щетка своей контактной поверхностью постоянно во времени контактирует с каждой коллекторной пластиной, находящейся под щеткой. Обеспечение безотрывного скользящего электрического контакта создает механические условия безыскровой работы КЭМ.

Причинно-следственная связь «воздушный поток в щеточно-коллекторном узле приводит к выдуванию продуктов износа и, как следствие, к устранению заклинивания и повышению надежности щеточно-коллекторного узла» логически вытекает из существующего уровня техники.

Однако причинно-следственная связь «воздушный поток в щеточно-коллекторном узле приводит к уменьшению степени искрения в скользящем контакте» является новой и не вытекает из существующего уровня техники.

Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На чертеже представлено наглядное изображение щеточно-коллекторного узла электрической машины с угловым разрезом воздухозаборника.

Щеточно-коллекторный узел содержит коллектор 1, щетку 2, корпус щеткодержателя 3, прижимное устройство, выполненное в виде воздухозаборника 4, и нажимное устройство, которое на чертеже не показано.

Корпус щеткодержателя 3 имеет набегающую 5 и сбегающую 6 стенки. В набегающей стенке 5 выполнено сквозное отверстие 7.

Воздухозаборник 4 выполнен в виде угловой трубы с входным концом 8 и выходным концом 9.

Щетка 2 установлена в корпус щеткодержателя 3 и прижата нажимным устройством в радиальном направлении к коллектору 1. Воздухозаборник 4 своим выходным концом 9 соединен с набегающей стенкой 5 корпуса щеткодержателя 3 и выходное отверстие воздухозаборника 4 совпадает с отверстием 7. Входной конец 8 воздухозаборника 4 направлен навстречу воздушному потоку B₁ искусственной воздушной вентиляции КЭМ. Вентилятор, создающий воздушный поток B₁ искусственной воздушной вентиляции, на чертеже не показан.

Щеточно-коллекторный узел работает следующим образом. При работе КЭМ коллектор 1 вращается в направлении n, нажимное устройство прижимает щетку 2 в радиальном направлении к коллектору 1 для создания скользящего контакта. Воздушный поток B₁ искусственной воздушной вентиляции попадает во входной конец 8 воздухозаборника и распространяется внутри воздухозаборника 4 до его выходного конца 9. За счет изгиба воздухозаборника 4 воздушный поток B₁ меняет свое направление на B₂ и через сквозное отверстие 7 попадает во внутрь корпуса щеткодержателя 3. Этот воздушный поток В₂ с силой F давит в тангенциальном направлении на набегающую грань щетки 2 и прижимает ее к сбегающей стенке 6 корпуса щеткодержателя 3, исключая перекос щетки 2 в тангенциальном направлении и ее тангенциальные колебания.

Воздух из радиальных зазоров между щеткой 2 и корпусом щеткодержателя 3 под действием воздушного потока В₂ вытесняется и образует воздушный поток В₃. Воздушный поток В₃ выносит продукты износа деталей КЭМ из зазоров между щеткой 2 и корпусом щеткодержателя 3, что исключает скопление продуктов износа в зазорах между щеткой 2 и корпусом щеткодержателя 3 и заклинивание щетки.

Одновременно воздушный поток В₃, направленный на коллектор 1, интенсивно охлаждает его в месте наибольшего нагрева - скользящем электрическом контакте. При этом коллектор 1 не перегревается сверх предельно допустимой температуры. При работе коллектора с допустимой температурой исключаются его тепловые деформации в виде выступающих и западающих коллекторных пластин и стабилизируется его профиль. Щетка при этом безотрывно контактирует своей контактной поверхностью в каждый момент времени с каждой коллекторной пластиной, находящейся под щеткой. Наличие стабильного скользящего электрического контакта создает условия, при которых искрение не возникает по механической причине, поскольку электрический ток в скользящем контакте протекает всегда через точки непосредственного контакта щетки с коллекторными пластинами.

Лабораторные испытания проводились на КЭМ типа ПО-550АФ с напряжением U=200 В, током I=5,4 А, частотой вращения n=3000 об/мин и аксиальной вытяжной системой самовентиляции. В этой КЭМ применены щетки марки ЭГ-74 с размерами 10×12×20 мм с удельным нажатием 20 кПа и коэффициентом трения не более 0,22. Расстояние между корпусом щеткодержателя и коллектором составляет 2 мм. При таких параметрах сила трения щетки о коллектор составляет 0,528 Н, а опрокидывающий момент, вызывающий тангенциальные колебания щетки, равен 1 Нм. При испытаниях серийной КЭМ степень искрения в скользящем контакте составляет 1½, a температура коллектора - 65°С.

При установке воздухозаборника на корпус щеткодержателя и выполнении сквозного отверстия размером 12×12,5 мм в его набегающей стенке давление воздушного потока самовентиляции в воздухозаборнике составляет 1 кПа. Это давление создает силу прижатия F=0,15H, которая устраняет тангенциальные колебания щетки, поскольку при плече этой силы 8 мм она создает момент 1,2 Нм, который больше опрокидывающего момента силы трения. При этом степень искрения на КЭМ с заявляемым устройством снижается до 1¼, а температура коллектора за счет обдува воздушным потоком В₃ - до 59°С. При эксплуатации в течение 150 часов КЭМ с заявляемым устройством продукты износа в зазорах между щеткой и корпусом щеткодержателя отсутствуют и заклинивания щетки не произошло.

Источники информации

1. А.С. СССР №1376159, МКИ 4 H01R 39/40, 39/24. Реактивный коробчатый щеткодержатель электрической машины. / М.Ф.Хлыстов и Г.А.Русаков (СССР); Предприятие п/я Г-4514 (СССР). - №4101127; заявлено 30.07.1986; опубл. 23.02.1988, Бюл. №7.

2. А.С. СССР №1667182, МКИ 5 H01R 39/40. Щеточно-коллекторный узел электрической машины. / Р.Ф.Бекишев, С.И.Качин и Р.X.Сайфутдинов (СССР); ТПИ (СССР). - №4676709/07; заявлено 11.04.1988; опубл. 30.07.1991, Бюл. №28.

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к высокоскоростным коллекторным электрическим машинам (КЭМ) с тяжелыми условиями коммутации и искусственной воздушной вентиляцией. Технический результат заключается в повышении надежности за счет предотвращения заклинивания щетки в корпусе щеткодержателя и снижения степени искрения в скользящем контакте КЭМ благодаря созданию направленного воздушного потока в щеточно-коллекторном узле. Изобретение позволяет снизить степень искрения на одну ступень. Щеточно-коллекторный узел электрической машины содержит коллектор, щетку, установленную в корпус щеткодержателя, нажимное устройство и прижимное устройство, при этом щетка прижата нажимным устройством в радиальном направлении к коллектору, а прижимным устройством - в тангенциальном направлении к сбегающей стенке корпуса щеткодержателя. Прижимное устройство выполнено в виде воздухозаборника, установленного на набегающей стенке корпуса щеткодержателя, набегающая стенка корпуса щеткодержателя выполнена со сквозным отверстием. При этом выходной конец воздухозаборника соединен с набегающей стенкой корпуса щеткодержателя, выходное отверстие воздухозаборника совпадает с отверстием в набегающей стенке корпуса щеткодержателя, а входной конец воздухозаборника направлен навстречу воздушному потоку искусственной воздушной вентиляции. 1 ил.

Щеточно-коллекторный узел электрической машины, содержащий коллектор, щетку, установленную в корпус щеткодержателя, нажимное устройство и прижимное устройство, при этом щетка прижата нажимным устройством в радиальном направлении к коллектору, а прижимным устройством - в тангенциальном направлении к сбегающей стенке корпуса щеткодержателя, отличающийся тем, что прижимное устройство выполнено в виде воздухозаборника, установленного на набегающей стенке корпуса щеткодержателя, набегающая стенка корпуса щеткодержателя выполнена со сквозным отверстием, при этом выходной конец воздухозаборника соединен с набегающей стенкой корпуса щеткодержателя, выходное отверстие воздухозаборника совпадает с отверстием в набегающей стенке корпуса щеткодержателя, а входной конец воздухозаборника направлен навстречу воздушному потоку искусственной воздушной вентиляции.