Щеточно-коллекторный узел электрической машины Советский патент 1992 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам постоянного тока и универсального питания, имеющим дополнительные устройства для улучшения коммутации.

Известен щеточно-колпекторный узел электрической машины постоянного тока, содержащий коллектор и щетки, разрезанные по высоте на части, изолированные др г от друга, причем выводы этих частей объединяются и подключаются к соответствующим зажимам источника электропитанил машины. Указанная конструкция используется для увеличения сопротивления добавочному току коммутации, но одновременно при недостаточной эффективности существенно снижает коэффициент полезного действия машины, что является главным ее недостатком.

Известен щеточно-коллекторный узел микродвигателя постоянного тока, содержащий щетки и коллектор, к смежным пластинам которого подключены биполярные нелинейные резистивные элементы - вари- сторы. Недостатком данного решения является расположение нелинейных элементов, число которых равно числу коллекторных пластин, на вращающемся я коре, что снижает надежность устройства коммутации.

Известен также щеточно-коллекторный узел электрической машины, содержащий коллектор с коллекторными пластинами, разделенными диэлектрическими вставками, пары рабочей и дополнительной щеток, блок улучшения коммутации, подключенный к выводам каждой пары оабочей и дополнительной щеток, причем вывод рабочей

00

ел о о

щетки непосредственно подключен к зажиму источника электропитания,

К недостаткам известного решения относится малая надежность, обусловленная периодическим закорачиванием через пластину коллектора вспомогательного источника постоянного тока, подключенного к рабочей и дополнительной щеткам, Кроме того, хотя и не оговоренный, но, как следует из материалов решения, достаточно малый пб сравнению с шириной пластины танген- циальныЙ р азмер диэлектрической вставки сильно снижает эффективность работы устройства коммутации, так как время введения ЭДС вспомогательного источника в контур коммутации много меньше времени коммутационного цикла.

Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в щеточно-кол- лекторном узле электрической машины, содержащем коллектор с коллекторными пластинами, разделенными диэлектрическими вставками, пары рабочей и дополни- тельной щеток, блок улучшения коммутации, подключенный к выводам каждой пары рабочей и дополнительной щеток, причем вывод рабочей щетки непосредственно подключен к зажиму источника электропитания, за счет того, что блок улучшения коммутации выполнен о виде нелинейного резистивного элемента, а тангенциальные размеры дополнительной щетки и диэлектрической вставки удовлетворяют следующим соотношениям

h - m

Одоп-щ- ;(Л)

Ьдиэл ( 1,05... 1,1 )Ьдоп7 (2)

где Ьдоп - ширина дополнительной щетки;

Ьдиэл - ширина диэлектрической вставки;

VK - окружная скорость коллектора;

LS - собственная индуктивность коммутируемой секции;

I - удвоенный ток параллельной ветви обмотки якоря;

Uo - напряжение пробоя нелинейного резистивного элемента.

Согласно п. 2 формулы изобретения, с целью увеличения надежности и расширения области применения, параллельно нелинейному резистивному элементу через диод подключен конденсатор, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора и тиристора со схемой управлений.

Согласно п. 3 формулы изобретения, с целью расширения области применения, нелинейный резистивный элемент имеет симметричную вольт-амперную характери5 стику, причем к его выводам подключены входные зажимы мостовой схемы выпрямления, а на выходе ее включен конденсатор, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно со0 единенных резистора и тиристора со схемой управления.

Благодаря конструктивным особенностям щеточно-коллекторного узла, определяемым соотношениями тангенциальных

5 размеров дополнительной щетки и диэлектрической вставки, в коммутируемый контур в определенный интервал коммутационного цикла при помощи нелинейного резистивного элемента вводится коммутирующее на0 пряжение такого уровня, который не вызывает появления коммутационной дуги. А если этот уровень в момент размыкания щетки с коллекторной пластиной должен быть по условиям реализации коммутации

5 тока в секции достаточно высоким, то вводится временная задержка путем шунтирования нелинейного резистивного элемента конденсатором, который в нерабочем интервале цикла должен быть разряжен.

0 На фиг. 1 приведена схема щеточно-коллекторного узла электрической машины с блоком улучшения коммутации со стороны одного зажима источника электропитания, т.е. для одной пары рабочей и дополнитель5 пой щеток; на фиг. 2 и 3 - варианты схем щеточно-коллекторных узлов (также со стороны одного зажима), в которых блок улучшения коммутации шунтируется конденсатором соответственно через одно0 и двухполупериодный выпрямитель.

Щеточно-коллекторный узел (фиг. 1) содержит коллектор с пластинами 1, разделенными диэлектрическими вставками 2. Пластины 1 подключены к секциям 3 обмот5 ки якоря машины. Раббчая щетка 4 непосредственно подключена своим выводом к зажиму 5 источника электропитания и отделена от дополнительной щетки 6, установленной со стороны ее сбегающего края,

0 изоляционным слоем 7. Между выводами щеток 4 и б подключен нелинейный рези- стивный элемент 8, который в зависимости от вида вольт-амперной характеристики может являться униполярным (несимметрич5 ная характеристика) или биполярным (симметричная характеристика).

Практическая реализация униполярного нелинейного резистивного элемента наиболее проста. Это позволяет получить также

наиболее простое конструктивное решение

щеточно-коллекторного узла, но машина при этом лишается универсальных свойств, |ак как выводы рабочих щеток необходимо подключать только к зажимам электропитания определенной полярности. Примене- ние биполярного нелинейного резистивного элемента позволяет исключить указанный недостаток.

Тот или иной вариант практической реализации нелинейного резистивного эле- мента (униполярного или биполярного) для выполнения своей функциональной задачи должен обладать однозначной вольт-амперной характеристикой, обладающей пренебрежимо малым током утечки при напряжениях на элементе, меньших пробивного (порогового) напряжения Uo. а при напряжениях, больших U0, - достаточно малым дифференциальным сопротивлением элемента. Это свойство позволяет образо- вать параметрический стабилизатор напряжения, последовательным компонентом которого является параллельная ветвь обмотки якоря машины, а параллельным компонентом - нелинейный резистивный элемент, а затем указанный стабилизатор встраивается в каждую щеточную пару щеточно-коллекторного узла машины.

В схеме щеточно-коллекторного узла, приведенного на фиг. 2, параллельно нели- нейному резистивному элементу 8 через диод 9 подключен конденсатор 10, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора 11 и тиристора 12. Для отпирания тиристора 12 служит схема управления 13, которая может иметь различную схемотехническую реализацию. На фиг. 2 приведен один из возможных вариантов этой реализации, который состоит из измерительного выпрямителя на точечном диод е 14, вход которого подключен к зажимам нелинейного элемента 8, а выход - к плоскостному диоду 15, являющемуся входом усилителя- формирователя на транзисторе 16, который в свою очередь соединен с инвертором (схема НЕ) на транзисторе 17, выход которого через конденсатор 18 подключен к управляющему электроду тиристора 12.

В схеме щеточно-коллекторного узла, приведенного на фиг, 3. применен биполяр- ный нелинейный резистивный элемент 8. Возможность изменения полярности на элементе 8 привела, в отличие от схемы фиг, 2, к использованию в схеме фиг. 3 двухполу- периодных (мостовых) выпрямителей 9 и 14, а в остальном схемы идентичны.

Устройство, приведенное на фиг. 1, работает следующим образом. При покидании рабочей.щеткой 4 коллекторной пластины 1

образуется путь для тока параллельной ветви обмотки якоря, являющейся в силу ее значительной индуктивности источником тока, а не напряжения, через дополнительную щетку 6 и нелинейный элемент 8, который пробивается практически мгновенно и его напряжение пробоя Uo прикладывается к коммутируемой секции 3, вызывая процесс ее коммутации. При этом вышеприведенные соотношения тангенциальных размеров дополнительной щетки и диэлект рической вставки играют следующую роль.

Выполнение соотношения (1) обеспечивает минимально необходимое время введения в контур коммутации напряжения пробоя Uo. которое определяется из (1) как Ьдоп/Vic Lsl/Uo. При этом необходимо заметить, что соотношение (1) получено при пренебрежении активным сопротивлением контура, что приводит на практике к некоторому запасу по времени коммутации.

Выполнение соотношения (1) неразрывно связано с выполнением соотношения (2). Так время, предоставляемое на протекание коммутационного процесса в секции 3, исчисляется от момента покидания щеткой 4 коллекторчой пластины 1 до момента покидания этой же пластины сбегающим краем дополнительной щетки 6, причем набегающий край дополнительной щетки не должен до этого момента находиться а контакте со следующей коллекторной пластиной. Таким образом, ширина дополнительной щетки 6 будет определять время коммутации только втом случае, если ширина диэлектрической вставки 2 будет как минимум равна ширине дополнительной щетки (толщиной изоляционного слоя ввиду его малости пренебрегаем). С другой стороны, для исключения дополнительного короткого замыкания дополнительной щеткой 6 двух соседних коллекторных пластин и связанной с ними секции 3, ширина дополнительной щетки должна быть всегда меньше, чем ширина диэлектрической вставки 2. В это же время Значительно увеличивать ширину диэлектрической вставки нецелесообразно, так как это напрямую связано со снижением эффективности коллектора (сокращение контактной поверхности), поскольку приводит к уменьшению тангенциальных размеров пластин коллектора и рабочей щетки. Таким образом, ширина диэлектрической вставки лишь незначительно должна превышать ширину дополнительной щетки, что реализовано в соотношении (2) введением соответствующего числового множителя, который учитывает неизбежный технологический разброс при изготовлении коллекто- рч и щеток.

Нелинейный резистивный элемент О обесточивается, как только завершится коммутационный процесс в секции 3, и находится в этом состоянии до наступления следующего цикла коммутации. Этому спо- собствует то обстоятельство, что напряжение пробоя Uo нелинейного резистивного элемента должно превосходить ЭДС от главного поля секции 3 к моменту завершения ее коммутации и оставаться таковым до момента покидания дополнительной щеткой б коллекторной пластины 1. При перемещении изоляционного слоя 7 в пределах дуги, определяемой шириной коллекторной пластины, контур, образуемый рабочей щет- кой 4, нелинейным элементом 8 и дополни- тельной щеткой 6, закорачивается указанной пластиной, а элемент 8 выключается из работы.

В низковольтных электрических маши- нах для нормальной коммутации достаточно иметь напряжение пробоя U0 нелинейного резистивного элемента не более 2...4 В, что не позволяет развиться дуговому процессу на сбегающем крае щетки. При использова- нии нелинейных резистивных элементов с бол ее высоким уровнем пробивного напряжения {это позволяет расширить область применения), чтобы исключить появление дугового разряда, применены более слож- ные схемы щеточно-коллекторного узла (фиг. 2 и фиг. 3), которые работают аналогично, Поэтому рассмотрим одну,из них, а именно схему, приведенную на фиг. 2.

При покидании рабочей щеткой 4 кол- лекторной пластины 1 через диод начинает заряжаться конденсатор 10 практически от нулевого уровня напряжения (в действительности от уровня 0,5...0,8 В), надежно шунтируя нелинейный элемент 8 и создавая тем самым временную задержку между моментом размыкания контакта и моментом наступления пробоя нелинейного резистивного элемента, за время действия которой сбегающей край рабочей щетки 4 успевает отойти на достаточное расстояние от края коллекторной пластины 1. Нелинейный элемент 8 включается в тот момент времени, когда напряжение на конденсаторе 10 достигнет напряжения пробоя U0 пели- нейного элемента, после чего конденсатор 10 отключается, оставаясь заряженным, В момент завершения коммутационного цикла машины, напряжение на нелинейном элементе 8, а также на входе схемы управ- ления 13 резко падает, что приводит к отпиранию транзистора 16 и запиранию транзистора 17, сигнал с которого, продифференцированный конденсатором 18, поступает на вход тиристора 12 и отпирает его.

В результате образуется разрядная цепочка из резистора 11 и тиристора 12, шунтирующая конденсатор 10 и рассеивающая накопленную и нем электрическую энергию. При снижении разрядного тока до уровня тока отпускания тиристор 12 автоматически отключается, а на конденсаторе остается незначительное напряжение (0,5...0,8 В), равное напряжению отключения тиристора. Таким образом, после завершения разряда конденсатор 10 оказывается подготовленным к следующему коммутационному циклу. По сравнению с известными из литературы устройствами для улучшения коммутации использование данного изобретения позволяет:

-снизить тепловую нагрузку скользящего контакта, отводя коммутационные потери за его пределы;

-снизить потери мощности в скользящем контакте, применив металлокерамиче- ские щетки;

-ликвидировать дополнительные полюсы в магнитной системе машины;

-повысить ресурс щеток и коллектора.

Приведенные технические преимущества, реализуемые при использовании изобретения, позволяют осуществить проектирование новых серий коллекторных машин с существенно лучшими рабочими характеристиками и эксплуатационными показателями. Улучшаются также и экономические показатели производства новых машин в связи с сокращением расхода меди и электротехнической стали, а также в связи с упрощением технологии производства ме- таллокерамических щеток по сравнению с угольнографитными или электрографитиро- ванными.

Формула изобретения 1. Щеточно-коллекторный узел электрической машины, содержащий коллектор с коллекторными пластинами, разделенными диэлектрическими вставками, пары рабочей и дополнительной щеток, блок улучшения коммутации, подключенный к выводам каждой пары рабочей и дополнительной щеток, причем вывод рабочей щетки непосредственно подключен к зажиму источника электропитания, отличающийся тем. что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, блок улучшения коммутации выполнен в виде нелинейного резистивного элемента, а тангенциальные размеры дополнительной щетки и диэлектрической вставки удовлетворяют следующим соотношениям:

h - УК U I

ЬдопЈЈ- р

Ьдиэл r( 1.05 ... 1,1 ) Ьдоп

где Ьдоп - ширина дополнительной щетки;

Ьдиэл - ширина диэлектрической вставки;

VK - окружная скорость коллектора;

U - собственная индуктивность коммутируемой секции;

I - удвоенный ток параллельной ветви обмотки якоря; ,

Do - напряжение пробоя нелинейного резистивного элемента.

2. Узел электрической машины по п. 1, отличающийся тем. что, с целью увеличения надежности и расширения области применения, параллельно нелинейному резистивному элементу через диод подклю0

5

чен конденсатор, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора и тиристора со схемой управления.

3. Узел электрической машины по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, нелинейный резистивный элемент имеет симметричную вольт-амперную характеристику, причем к его выводам подключены входные зажимы мостовой схемы выпрямления, а на выходе ее включен конденсатор, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора и тиристора со схемой управления.

Использование: электротехника, коллекторные электрические машины постоянного тока. Сущность изобретения: щеточно-коллекторный узел содержит коллектор, пары рабочей и дополнительной щеток, блок улучшения коммутации в виде нелинейного резистивного элемента. Возможно подключение конденсатора параллельно нелинейному резистивному элементу через диод. Параллельно конденсатору подключена разрядная цепочка из резистора и тиристора со схемой управления. Нелинейный резистивный элемент имеет симметричную вольт-амперную характеристику. Возможно подключение мостовой схемы выпрямления к выводам резистивного элемента. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Г

flm-/ni N Ш1ш 1т ririir4/VCVT. TlL-L,ЛлУК -

/ |

1I7I

1 2 J

Фиг. 2

ZOrvA

tfteJ

rvx