Щеточно-коллекторный узел электрической машины Советский патент 1990 года по МПК H01R39/02 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в щеточно- коллекторном узле электрических машин работающих в тяжелых условиях по коммутации при .широком регулировании частоты вращения и токовой нагрузки, при значительных вибрациях и воздействии ударных ускорений, например тяговых электрических машин электроподвижного состава и тепловозов.

Целью изобретения является повышение надежности щеток и коллектора в эксплуатации и снижение коэффициента трения в контакте.

На чертеже изображена электрическая схема щеточно-коллекторного узла электрической машины.

На коллекторе 1 в окнах щеткодержателей 2 и 3 находятся электрощетки положительной 4 и отрицательной 5 полярностей.

Щеточно-коллекторный узел работает следующим образом.

При вращении якоря электрической машины с частотой вращения п по ее коллектору 1 скользят электрощетки 4 и 5. Ток якоря I от источника питания подводится к обмотке якоря через щетки положительной полярности и отводится в сеть через щетки

Os

о со

Isw Os

DK отрицательной полярности (направление тока на чертеже показано стрелками),

Дугостойкость отрицательных и положительных щеток выражается через критерии, определяемые по формулам:

Атк р. Лшо р. Атп

r-si °-r K i -r i

где DK, DO и Dn - соответственно критерии дугостойкости (мг/кА- с) материала коллектора, отрицательных и положительных иде- ток;

Д Шк, Дшо и АгПп - соответственно изменение (мг) массы материала коллектора, щеток отрицательной и положительной полярностей от воздействия электрической дуги силой тока I (кА) за время At (с).

Щетки отрицательной полярности выполнены из материала с мономодальной пористой структурой а щетки положительной полярности - из материала с бимодальной пористой структурой.

Критерии дугостойкости Dk, Do и Dn связаны между собой соотношениями: Do + Dn

Do:Dn 1-8;

Наилучшей дугостойкостью обладают щетки с мрномодальной пористой структурой, так как благодаря такому распределению открытых пор при указанных значениях их радиусов за счет мгновенной ионизации межпорового пространства дуговой разряд непрерывно перемещается по площади контакта, не вызывая при этом разрушения контактных поверхностей без образования кратеров и видимых поражений щетки от дуги. Наиболее оптимальное отношение критериев дугостойкости мономодальнопо- ристых щеток и коллекторной меди DO:DK 1 - 8, т.е. Дугостойкость мономодальных щеток приближается к дугостойкости коллекторной меди. Если это отношение ниже указанного предела, резко ухудшаются процессы политурообразования, увеличивается выработка и снижается надежность коллектора в эксплуатации. В случае, если отношение критериев выше указанного предела, увеличивается износ щеток, что приводит к снижению надежности щеток в эксплуатации. Это объясняется тем. что для отрицательной щетки поверхность вращающегося коллектора является дискретным возбудителем электрической дуги при фрит- тинге коллекторной пленки. В результате воздействия дуги на отрицательную щетку, выполненную с мономодальным распределением открытых пор, не происходит глубоких кратериальных поражений контактной поверхности щеток, так как дуга при искро- образовании непрерывно перемещается

под контактной поверхностью щетки, причем скорость ее перемещения от одной поверхности к другой в тангенциальном и аксиальном направлениях щетку зависит

как от соотношения размеров пор мономодального распределения, так и от скорости вращения коллектора и фритт| га коллекторной пленки.

В случае установки щеток с мономо0 дальной пористой структурой в щеткодержатели положительной полярности получается обратный процесс дугообразо- вания, т.е. положительная щетка возбуждает дугу на поверхности скольжения

5 коллектора. При этом из-за фриттинга и стягивания линий тока скорость перемещения дуги по контактной поверхности мономо- дальнопористых щеток значительно снижается и отдельные участки щеток, где

0 концентрируется пробег дуги, подвержены глубокому поражению. В результате этого износ щеток увеличивается в несколько раз, что приводит к нарушению политурообразования и, следовательно, к значительному

5 возрастанию износа отрицательных щеток. Щетки с бимодальной пористой структурой обеспечивают более устойчивую стабильность контакта в электрическом отношении, так как продукты износа щеток

0 активно внедряются в оксидную пленку, снижая количество случаев фриттинга. Однако из-за специфики распределения пор дуга при возбуждении не перемещается по поверхности щеток и вызывает глубокие по5 ражения в виде кратеров. При установке таких щеток в щеткодержатели отрицательной полярности вследствие отсутствия перемещения дуги по контактной поверхности происходит увеличение износа щеток на от0 дельных участках воздействия дуги с интенсивным внедрением продуктов износа в оксидную пленку. При этом нарушается по- литурообразование с возникновением заволакивания поверхности скольжения

5 коллектора. Однако при установке таких щеток в щеткодержатели положительной полярности из-за сокращения количества случаев фриттинга политурообразование и состояние поверхности скольжения коллек0 тора улучшаются. Дугостойкость определяется на образцах материала коллектора, отрицательных и положительных щеток по убыли их массы от воздействия электрической дуги силой тока 0,12 -0,15кАвтечение

5 2 - 15 с в зависимости от состава материала коллектора и щеток.

При значениях соотношения критериев DO. Dn и DK. выходящих за указанные пределы, работа и надежность щеточно-коллек- торного узла ухудшаются.

При значениях ниже указанного предела ухудшается коммутация за счет возрастания токопереноса при помощи внедрения продуктов износа в коллекторную пленку, что приводит к разрушению политуры кол- лектора и увеличению его выработки. При значениях выше указанного предела значительно возрастает износ положительных щеток из-за снижения их дугостойкости.

В случае установки во все щеткодержа- тели крупнопористых щеток увеличивается вероятность возникновения заволакивания коллекторной меди, так как резко снижается количество контактных пятен и уменьшается механическая стабильность контакта. При этом надежность щеток и коллектора понижается.

При установке во все щеткодержатели мелкопористых щеток с мономодальным распределением пор снижается надеж- ность щеток из-за возрастания их износа, так как токосъем осуществляется лишь за счет фриттинга коллекторной пленки, а частицы износа 6 мономодальным распределением пор не внедряются в коллекторную пленку..

В случае установки мономодальных щеток в щеткодержатели положительной полярности, а щеток с преобладающим радиусом открытых пор, в 1,1 - 35 раз пре- вышающим преобладающий размер радиуса открытых пор мономодальнопористых

щеток, в щеткодержатели отрицательной полярности нарушаются условия политуро- образования,возникает заволакивание коллектора, что приводит к повышению износа щеток, увеличению выработки коллектора и снижению надежности в эксплуатации ще- точно-коллекторного узла в целом.

Формула и 30 братени я Щеточно-коллекторный узел электрической машины, содержащий коллектор, щетки отрицательной и положительной полярностей, выполненные из пористого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности щеток и коллектора и снижения коэффициента трения в контакте, щетки отрицательной полярности выполнены из материала с мономодальиой пористой структурой, щетки положительной полярности выполнены из материала с бимодальной пористой структурой, а критерии дугостойкости материалов коллектора, щеток отрицательной и положительной полярностей связаны соотношениями:

DO:DK . 8-20,

где DO - критерий дугостойкоЬти материала щеток отрицательной полярности:

Dn - критерий дугостойкости материала щеток положительной полярности;

DK - критерий дугостойкости материала коллектора.

Изобретение относится к электрическим машинам, работающим в тяжелых условиях эксплуатации, например к тяговым электрическим машинам. Цель изобретения - повышение надежности щеток и коллектора в эксплуатации, снижение коэффициента трения в контакте. В щеточно-коллекторном узле отрицательные щетки выполнены с мономодальной пористой структурой, щетки положительной полярности выполнены из материала с бимодальной пористой структурой, а критерии дугостойкости коллектора, отрицательных и положительных щеток связаны определенными соотношениями. 1 ил.