ЩЕТОЧНО-КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ ГЕНЕРАТОРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК H01R39/00 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании электрических машин.

По данным РАО ЕАС России большая доля отказов (около 25% от всех) генераторов приходится на щеточно-контактный аппарат (ЩКА) [Плохов И.В., Исаков А.И. Способ уменьшения искрения ЩКА. Известия ТулГУ Технические науки. 2012. Вып. 12, ч.2. стр. 342-348]. Следовательно возникает необходимость повышения надежности работы узла ЩКА и генератора в целом.

Известен щеточно-контактный аппарат электрической машины, (Патент РФ RU 191789 U1, авторы Чернышов Андрей Анатольевич (RU), Шестаков Сергей Васильевич (RU), Морозов Сергей Николаевич (RU), МПК H01R 39/00 (2019.05)), содержащий щетки и контактные кольца, при этом на наружной поверхности контактных колец выполнена винтовая нарезка, отличающийся тем, что винтовая нарезка выполнена с профилем в виде упорной резьбы, при этом винтовая нарезка одного кольца выполнена по часовой стрелке, а другого - против часовой стрелки. Технический результат заключается в совершенствовании конструкции щеточно-контактного аппарата электрической машины, обеспечении высокой технологичности изготовления, улучшении эксплуатационных показателей изделия.

Недостатком этого устройства является то, что контактное усилие между щетками и кольцом меняется и может привести к неисправности ЩКА.

Кроме того, известно устройство ЩКА [Вольдек А.И., Попов В.В. Электрическая машина. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для втузов. - СПб: Питер. 2008.-320 с.], в котором ЩКА генератора состоит из контактного кольца, расположенного на роторе, и нескольких групп щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора. За счет прижимных сил, действующих на щетки, обеспечивается механический контакт щетки с кольцом.

Недостатком устройства является то, что в процессе работы генератора щетки стираются, появляется зазор между кольцом и щеткой, контактное усилие уменьшается. В этом случае возможно возникновение искрения, вызывающее выгорание контактной поверхности щеток.

Помимо ухудшения параметров контактного слоя щеток, искрение может привести к круговому огню - аварийному работы ЩКА, выводящему из строя генератор [Качан С.И., Качан О.С. Моделирование процессов износа электрических щеток универсальных электродвигателей с учетом механических факторов // Электричество, 2000. №12, с. 68-70].

Известен щеточно-контактный аппарат для генераторов большой мощности (Патент РФ RU 2791280 С1, авторы Рыков Анатолий Аркадьевич (RU), Рыков Сергей Анатольевич (RU)), принятый за прототип, технический результат которого заключается в обеспечении постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе, что увеличивает срок службы ЩКА, улучшает эксплуатационные показатели устройства. Достигается это тем, что в ЩКА, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, в каждую группу щеток вводится две упругих согнутых полуволной пластин, выполняющих роль корректоров упругих сил пружины, при этом один конец пластин крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластин крепится шарнирно к подвижному концу пружины.

Недостатком этого ЩКА является то, что количество упругих согнутых полуволной пластин две и они занимают достаточно много места, что может ограничить число щеток в устройстве.

Задачей (техническим результатом) заявляемого устройства является уменьшение габаритных размеров устройства при обеспечении постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе за счет одной упругой пластины, что увеличит срок службы щеточно-контактного аппарата, улучшит эксплуатационные показатели устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в щеточно-контактный аппарат, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, в каждую группу щеток вводится упругая согнутая полуволной пластина, выполняющая роль корректора упругой силы пружины сжатия, один конец пластины крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия, и направляющая, подвижная часть которой крепится к подвижному концу пружины, а неподвижная часть к статору.

Улучшение эксплуатационных свойств достигается за счет исключения необходимости периодических регулировок усилия пружины в процессе эксплуатации, поскольку усилие пружины обеспечивается автоматически путем применения предлагаемой схемы устройства.

На Фиг. 1 приведена принципиальная схема одной группы ЩКА.

На Фиг. 2 показаны активные силы действующие на щетку.

На Фиг. 3 показано начальное положение щетки (х=0 см).

На Фиг. 4 показано первое положение щетки (х=1 см).

На Фиг. 5 показано второе положение щетки (х=2 см).

Предлагаемое устройство (Фиг. 1) содержит щетку 1, которая помещена в щеткодержатель 2, закрепленный на статоре генератора. Щетка 1 с помощью пружины сжатия 3 прижимается к ротору 4.

В устройство введены упругая согнутая полуволной пластина 5, выполняющая роль корректора упругой силы пружины сжатия 3, один конец пластины крепится неподвижным шарниром 6 на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия 11, направляющая с роликами 7, в которой подвижная часть 8 крепится жестким креплением 9 к подвижному концу пружины 11, а неподвижная часть 10 к статору.

Устройство работает следующим образом. На фиг. 1 показано начальное положение (пунктирная линия) устройства, когда щетку 1 поставили в щеткодержатель 2. В этом случае распорная сила упругой пластины 5 направлена перпендикулярно к пружине сжатия 3. Поэтому на щетку действует только вертикальная сила F (Фиг. 2) пружины сжатия. При стирании щетки 1 пружина сжатия 3 начнет растягиваться, упругая сила будет уменьшаться, а пластина 5 начнет поворачиваться вокруг неподвижного шарнира (Фиг. 1). Распорное усилие пластины будет давать проекцию на ось пружины сжатия 3 (Фиг. 2). Эта сила будет компенсировать потерю упругой силы пружины сжатия 3.

Таким образом, можно добиться постоянного усилия в вертикальном направлении, а значит обеспечить постоянное усилие между щеткой и кольцом на роторе генератора.

В конечном положении, когда пружина сжатия 3 полностью растянута, проекция усилия пластины 5 на ось пружины сжатия 3 должна равняться усилию пружины сжатия в начальный момент. Из этого условия находим необходимое распорное усилие пластины s.

Зная необходимое усилие пластины, находим необходимый конечный угол α_к между линией действия усилия пластины S и пружиной сжатия.

где с - жесткость пружины сжатия,

λ - начальная деформация пружины сжатия,

α_к - конечный угол между линией действия усилия S и пружиной

сжатия.

Таким образом определится положение неподвижного шарнира, которым крепится пластина.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА

Изготовлен макет щеточно-контактного аппарата с характеристиками совпадающими с характеристиками щеточно-контактных аппаратов генераторов большой мощности "ЭЛСИБ". Усилие на щетку остается в течение времени работы генератора постоянным и равным 1,1 кГ при срабатывании щетки на 3 см. Выбрана пружина длиной 6 см и жесткостью 0,37 кГ/см. При установке щетки пружина сжимается на 3 см.

Упругая пластина выбрана из условия, чтобы конечный угол между линией действия усилия s и пружиной составлял 60° градусов. В этот момент проекция распорной силы пластины на вертикаль должна равняться величине упругой силе пружины в начальный момент

S cos α_k=cλ

Необходимое усилие в пластине в конечный момент должно быть S=2,2 кГ.

Проекция всех активных сил на вертикаль в текущей момент равна:

∑F_x=с(λ-х)+S cos α,

где х - величина, на которую стирается щетка.

Значения этой проекции при трех моментах времени составит:

1. Начальное положение: при х=0 см, α_k=90° получаем ∑F_x=cλ=1.12кГ

2. При х=1 см, α_к=75°, получаем ∑F_x=1.09 кГ,

3. При х=2 см, α_к=65°, получаем ∑F_x=1.07 кГ

Таким образом, контактное усилие практически остается постоянным за все время стирания щетки. Измерение суммарного усилия по вертикали динамометром подтвердило постоянство контактного усилия.

На Фиг. 3 срабатывания щетки нет (х=0 см). На Фиг. 4 длина щетки уменьшилась на 1 см (х=1 см). На Фиг. 3 длина щетки уменьшилась на 2 см (х=2 см).

Контактное усилие во всех случаях равно 1,1 кГ.

Сравнивая габариты прототипа ЩКА и предлагаемого устройства, отметим, что ширина прототипа составляет 200 мм, а предлагаемого устройства - 110 мм. Таким образом, предлагаемый щеточно-контактный аппарат при габаритах меньше, чем у прототипа, обеспечивает постоянство усилия между щеткой и ротором.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании электрических машин. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров устройства при обеспечении постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе за счет одной упругой пластины, что увеличивает срок службы щеточно-контактного аппарата, улучшает эксплуатационные показатели устройства. Щеточно-контактный аппарат (ЩКА) генератора состоит из контактного кольца, расположенного на роторе, и нескольких групп щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, в каждую группу щеток вводится упругая согнутая полуволной пластина, выполняющая роль корректора упругой силы пружины сжатия, один конец пластины крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия, и направляющая, подвижная часть которой крепится к подвижному концу пружины, а неподвижная часть к статору. 5 ил.

Щеточно-контактный аппарат, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, отличающийся тем, что в каждую группу щеток вводится упругая согнутая полуволной пластина, выполняющая роль корректора упругой силы пружины сжатия, один конец пластины крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия, и направляющая, в которой подвижная часть крепится жестко к подвижному концу пружины, а неподвижная часть крепится к статору.