Щеточно-коллекторный узел электрической машины Советский патент 1991 года по МПК H01R39/40 

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к низковольтным сильноточным коллекторным электрическим машинам.

Целью изобретения является повышение надежности работы и увеличение стабильности.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого щеточно-коллекторного узла; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.З - вид устройства с угловым разрезом щетки и обоймы щеткодержателя.

На фиг.1-3 не показан нажимной элемент, прижимающий щетку к коллектору, его воздействие на щетку условно изображено в виде силы Р. Кроме того, обозначены I - рабочий ток в щетке; В - индукция поля, создаваемого магнитом; F - сила магнитоэлектрического прижима щетки к стенке обоймы; Т - сила трения щетки и коллектор; V - скорость вращения коллектора; N, S - северная и южная полярность полюсов магнита соответственно.

На фиг.1 изображен коллектор 1 с пе- тушковой частью 2, направление вращения которого со стороны петушковой части по часовой стрелке. Щетка 3 является анодной для двигателя (катодной для генератора). В данном примере магнит выполнен в виде электромагнита постоянного тока с магни топроводом 4, обмоткой 5, северным 6 и южным 7 полюсами. Полюса 6, 7 образуют стенки обоймы, перпендикулярные оси вращения коллектора 1, причем северный полюс 6 расположен со стороны петушковой части коллектора в соответствии с направлением вращения коллектора и полярностью щетки. Стенки 8 и 9 обоймы, параллельные оси вращения выполнены из немагнитного материала, например латуни. Каждая из них неподвижно прикреплена к обоим полюсам 6 и 7, например клеем. Таким образом, полюса 6, 7 и стенки 8,9 образуют обойму щеткодержателя, в которую щетка 3 вставлена с зазором, необходимым для- исключения заклинивания щетки в обойме щеткодержателя.

Предлагаемый щеточно-коллекторный узел работает следующим образом.

Нажимной элемент щеткодержателя (не показан) прижимает щетку 3 к поверхности коллектора 1 с силой Р, создавая тем самым необходимый электрический контакт щетки 3 с коллектором 1. При вращении коллектора 1 по часовой стрелке, если смотреть со стороны петушковой части 2, в скользящем контакте щетка-коллектор возникает сила трения Т, направленная по касательной к рабочей поверхности коллектора 1 и перпендикулярная радиальной оси щетки 3. Поскольку сила Т направлена в сторону вращения коллектора, а значит и в сторону сбегающего края щетки, она стремится опрокинуть щетку 3 на ее набегающий край

относительно оси, совпадающей с ребром 10 сбегающей стенки 8 обоймы щеткодержателя. Так как сила трения Т имеет скачкообразный характер изменения своей величины, щетка 3 совершает тангенциаль0 ные колебания со сложным законом движения, в пределах зазоров между щеткой 3 и стенками 8, 9 обоймы щеткодержателя. При этом стабильность скользящего контакта ухудшается. Однако при отсутствии

5 тока в щетке это нарушение стабильности контакта не ухудшает функционирование машины, поскольку процесс на холостом ходу невозможен и невозможно образование искрения под щеткой.

0 При включении машины на рабочий режим по щетке 3 протекает ток I в направлении к коллектору 1. Одновременно с этим или заранее обмотка 5 электромагнита должна быть подключена к источнику электро5 питания так, чтобы полюс 6 электромагнита имел северную, а полюс 7 южную полярность. При этом, поскольку стенки 8, 9 выполнены из немагнитного материала, линии магнитной индукции В от полюсов 6, 7 за0 мыкаются в основном через тело щетки 3. Поскольку щетка 3 представляет собой проводник с током I, помещенный в магнитное поле с индукцией В, то на щетку действует суммарная магнитоэлектрическая сила F,

5 направление которой определяется по правилу левой руки, прижимающая щетку 3 к сбегающей стенке 8 обоймы щеткодержателя. Суммарная сила F, является сосредоточенной силой. Она эквивалентна

0 действительной силе, равномерно распределенной по всему объему той части щетки 3, которая находится внутри обоймы щеткодержателя и пересекается с силовыми линиями магнитного поля от полюсов 6, 7.

5 Поэтому сила F всегда приложена к середине радиального размера той части щетки 3, которая находится внутри обоймы. Это соответствие выполняется независимо от износа щетки 3, как и в прототипе. Поскольку

0 силы F и Т действуют на щетку 3 в одном направлении, щетка 3 оказывается прижата к стенке 8. При этом сила Т опрокидывает щетку 3, а сила F восстанавливает ее положение относительно ребра 10. Для того,

5 чтобы щетка 3 не опрокидывалась на набегающий край и не совершала тангенциальных колебаний относительно ребра 10, крутящий момент восстанавливающей силы должен быть больше опрокидыващего момента силы Т при максимальном значении

коэффициента трения щетки 3 о коллектор 1.

В предлагаемой конструкции щетка 3 прижимается к стенке 8 магнитоэлектрической силой F, т.е. бесконтактно. Поэтому щетка 3 имеет только одну поверхность соприкосновения с щеткодержателем, а именно по внутренней поверхности стенки 8. Со стенкой 9 щетка 3 при работе электрической машины не контактирует ввиду наличия за- зора между ними, о котором указывалось выше. Таким образом, щетка 3 контактирует с обоймой щеткодержателя только по одной поверхности, что уменьшает силу трения щетки 3 о щеткодержатель, повыша- ет ее динамические свойства, улучшает стабильность скользящего контакта, а значит снижает искрение и износ контактных поверхностей щетки 3 и коллектора 1.

Вектор Т всегда сонаправлен с векто- ром V в силу физических законов возникновения силы трения. Сила F также всегда должна быть сонаправлена с силой Т для взаимной компенсации крутящих моментов. Таким образом, в предлагаемой конструкции векторы V, Т, F всегда сонап- равлены.

В предлагаемой конструкции прижим щетки к стенке обоймы щеткодержателя для устранения тангенциальных колебаний осу- ществлен бесконтактным магнитоэлектрическим устройством в отличие от прототипа, где прижим механический и существуют две поверхности трения щетки о щеткодержа

тель: щетка-стенка обоймы и щетка-ролик прижимного рычага. Поэтому в предлагаемой конструкции, где существует только одна поверхность трения щетки, а именно о стенку обоймы, повышается стабильность скользящего контакта при работе электрической машины по сравнению с прототипом за счет уменьшения суммарной силы трения щетки об элементы щеткодержателя. При этом в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом уменьшается искрение под щеткой, электроэрозионный износ контактных поверхностей щетки и коллектора, а значит повышается долговечность электрической машины.

Формула изобретения Щеточно-коллекторный узел электрической машины, содержащий коллектор и щеткодержатель, в обойме которого расположена щетка, нажимное устройство, прижимающее щетку к коллектору, а стенки обоймы, параллельные оси вращения коллектора, выполнены из немагнитного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и увеличения стабильности, стенки обоймы щеткодержателя, перпендикулярные оси вращения коллектора, выполнены в виде разнополяр- ных полюсов, соединенных магнитопрово- дом, а полярность полюсов определена из условия совпадения направлений сил трения и электромагнитной, действующих на щетку.

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к сильноточным высокоскоростным коллекторным электрическим машинам с тяжелыми условиями коммутации. Цель изобретения - повышение надежности работы щеточно-коллекторного узла и увеличение стабильности скользящего контакта. Стенки обоймы, перпендикулярные оси вращения коллектора, образованы полюсами магнита 6, 7, и магнитные силовые линии поля пронизывают тело щетки в аксиальном направлении. Рабочий ток в щетке, перпендикулярный магнитным силовым линиям, взаимодействуя с этим полем, прижимает щетку ее задней лицевой гранью к стенке обоймы, параллельной оси коллектора 2. При этом устраняются тангенциальные колебания щетки с сохранением низкого значения силы трения щетки об элементы щеткодержателя. 3 ил.

фиг.1

3 8

Фиг. 2

Э 5