Аппарат ванкевича для исследования коммутации коллекторных электрических машин Советский патент 1976 года по МПК H02K13/14 

В предлагаемом аппарате для исследования коммутации электрических коллекторных машин поставленная цель достигается за счет выполнения коммутирующих элементов в виде набора программных дисков, состоящих из обода, посаженного на вал с возможностью поворота, и кольца с вырезами, выполненного из токопроводящего материала, закрепленного на ободе и изолированного от последнего, причем вырезы кольца равномерно расположены по его окружности и заполнены электроизоляционным материалом, при этом попарно расположенные диски нодключены между собой, например, параллельно или последовательно.

На фиг. 1 показан предложенный аппарат; на фиг. 2 - программный диск в двух проекциях; на фиг. 3 - схема коммутации; на фиг. 4 - схема коммутации при четырех параллельных ценях; на фиг. 5 - положение сдвоенных программных дисков перед изменением эквивалентного расстояния изоляции; на фиг. 6 - положение сдвоенных программных дисков, дающее измененную величину эквивалентного расстояния изоляции; на фиг. 7 - развертка программных дисков; на фиг. 8 - схема последовательного соединения дисков; иа фиг. 9 - программа коммутации.

На вал 1 помещены коммутирующие элементы, выполненные в виде набора программных дисков 2-9, каждый из которых состоит из обода 10 (фиг. 2), посаженного на вал 1 с возможностью поворота, и кольца 11 с вырезами а, выполненного из токопроводящего материала, закрепленного на ободе и изолированного от последнего, причем вырезы кольца равномерно расположены по окружности и заполнены электроизоляционным материалом для того, чтобы не создавать вибрации щеток.

Количество программных дисков зависит от числа нараллельных цепей якоря. Так при наличии двух параллельных цепей (фиг. 3) программных дисков необходимо восемь. Устройство всех программных дисков одинаково.

Ободы дисков изготовляются из изоляционного материала. При изготовлении обода из металла между кольцами и ободом необходимо поместить изоляцию. Количество вырезов на кольцах определяется коллектором мащины, коммутацию которой нужно исследовать.

Между программными дисками находятся дистанционные прокладки 12. Справа и слева QT набора коммутирующих элементов помещены опорные щайбы 13, 14. Диски закреплены на валу специальной гайкой 15. Вал с набором программных дисков находится в стойках с подшипниками 16, 17 и соединен муфтой 18 с двигателем 19, допускающим регулироваиие скорости в пределах, необходимых для обеспечения реального процесса коммутации.

На опоре 20 размещены щеткодержатели со щетками 21-36. Программные диски 2-9 через щеткодержательные устройства со щетками 21-36 соединены между собой в параллель либо последовательно.

На фиг. 5 показано соединение в нараллель дисков 2-3 через щетки 21-23, 22-24 (для лучщего обозрения нрограммный диск 3 повернут; на фиг. 8 приведено последовательное соединение тех же дисков).

Так как программные диски вращаются, то коммутация осуществляется двумя комнлектами щеток, из которых один осуществляет постоянный контакт с кольцами (щетки 21, 23; 25, 27; 29, 31; 33,35), а второй комплект щеток (22, 24; 26, 28; 30, 32; 34, 36) соединяют с кольцами через выступы по установленной

программе (см. фиг. 3).

Электрическая коллекторная мащина, коммутацию которой необходимо исследовать, представляется в виде элементов I и II, моделирующих коммутирующие секции исследуемой мащины, соединенных с моделированными параллельными цепями якоря III и IV (фиг. 3). В дальнейшем элементы I и II называются коммутирующими секциями.

Коммутирующие секции снабжены регистрирующей аппаратурой. Например, через щунт ш включают осциллограф, измеряющий изменение тока коммутирующей секции; через катущку М, индуктивно связанную с коммутирующей секцией, измеряют электродвижущую

силу самоиндукции. Сопротивление м питается от специального подпиточного генератора и выполняет роль дополнительных полюсов во время исследования коммутации. Необходимая измерительная аппаратура может быть

включена и в моделированные цепи якоря 1П и IV. Если число исследуемых параллельных ветвей необходимо увеличить, то нужно добавить количество коммутирующих элементов (см. фиг. 4).

Собрав схему моделируемой мащины, присоединяют ее к аппарату для исследования коммутации в точках Е, F, G , Н (фиг. 3). К точке Е присоединяются щетки 22, 24; к точке F - щетки 30, 32; к точке G - щетки

34, 36; к точке Я - щетки 26, 28. При сборке схемы необходимо так располагать элементы исследуемых контуров, чтобы избежать влияния взаимноиндуктивных связей, не существующих в реальной .мащине.

Напряжение подводится к щеткам 21, 23, 29, 31 («плюс) и к щеткам 33, 35, 25, 27 через отстроечный резистор 37 («минус).

Если программный диск 2 разбить на последовательно повторяющиеся при вращении

положения (интервалы) А, В, С, D; А, В, С, D .. ., то все программные диски можно так установить относительно диска 2, чтобы при вращении щеток 22, 24 и 26, 28 подавалось последовательно напряжение в положениях А,

В, D, а щетки 30, 32 и 34, 36 - в положениях В, С, D (программа фиг. 9).

На основании рассмотрения процесса коммутации в данном аппарате автором выведена формула определения периода коммутации

аппарата: 7- GO (Ьщ - I пК(Ь, + й„) где Ьщ - ширина щетки; &I, - ширина изоляции между зубцами; &( - ширина зубца; п - число оборотов аппарата в минуту (задается двигателем .19); 60 - коэффициент для получения числа оборотов в секунду; К - число зубцов на программном диске. Приведенной формулой и определяются оптимальные величины программного диска (Ьщ, bii, Ьк, К). В описании принята ширина выступа Ьк, равпая ширине выреза (изоляции) 6и, т. е. Ширина щетки 6щ должна быть меньше ширины выступа Ьк, т. е. нами нринято ,5 Ьк Указанные величины выбираются таким образом, чтобы конструктивно создавалась надежная контактная конструкция для исследования коммутации. Для наведения на зубцах дисков пленки, дополнительно устанавливаются щетки (ни с чем не соединенные и на чертеже не показанные). Для настройки аппарата, заключающейся в установке программных дисков, он имеет мерные деления на дистанционных прокладках 12 и боковых поверхностях дисков. Аппарат работает следуюи им образом. К собранному контуру с коммутирующими секциями I и II и моделированными параллельными цепями якоря III, IV, имеющему измерительную аппаратуру, подсоединяются щеткодержатели со щетками в точках Е, F, G, Н. К щеткам 21, 23 и 29, 31 подводится, напряжение («плюс), а к щеткам 33, 35 и 25, 27 подводится, через регулировочный резистор отрицательный потенциал (см. фиг. 3). Щетки 21, 23 и 29, 31, а также щетки 33, 35 и 25, 27 постоянно соединены с соответствующими кольцами, а щетки 22, 24 и 26, 28, а также щетки 30, 32 и 34, 36 скользят по выступам колец и соединяются с соответствующими кольцами согласно программе. На фиг. 3 (в виде однополюсных рубильников) указаны все щетки. Программа начинается с положения Л, в котором щетки 22, 24 и 26, 28 включены. Программные диски, состоящие из обода 10 с установленным изолированным кольцом 11 с вырезами а, равномерно расположенными по окружности и заполнепными изоляцией, и выступами 8 (фиг. 2), устанавливают так, чтобы осуществить программу, показанную на фиг. 3, 7 и разъясненную ниже. Когда щетки касаются токопроводящих выступов колец, они замыкают соответствующую цепь схемы (фиг. 3), а когда щетки касаются изолированных участков а - соответствующие цепи разомкнуты. В программе (фиг. 9) крестиками указаны положения, при которых щетки касаются выступов и пустые клетки означают, что щетка в этом положении полностью касается изоляции (разомкнута). Следа от положений программы цифры 22, 24; 26, 28; 30, 32; 34, 36, указывают, какая из щеток в каком находится положении. На фиг. 7 дана развертка колец с расположенными щетками, положения программных дисков указаны буквами А, В, C,D. По фиг. 7 (так же, как и по программе на фиг. 9) видно, например, что при вращении вала 1 с программными дисками в положении Л щетки 22, 24 и 26, 28 включены, а щетки 30, 32 и 34, 36 выключены. В положении В щетки 22, 24 и 26, 28 еще остаются включенными, а щетки 30, 32 и 34, 36 уже включены, и т. д. Калсдому положению соответствует поворот дисков аппарата на полделения выступа (или выреза), так как На фиг. 7 приведена развертка всех программных дисков. Щетки неподвижны, а диски вращаются с одинаковой скоростью п (допустим, влево, как указано стрелкой). Например, в положении А щетки 22, 24 касаются выступов на кольцах дисков 2, 3, а щетки 26, 28 - выступов на дисках 4, 5. Затем при вращении, когда мимо щеток 22, 24 и 26, 28 пройдет часть соответствующего выступа, щетки 30, 32 и 34, 36 начинают касаться выступов иа дисках 6, 7 и 8, 9 (положение В). Когда щетки 22, 24 и 26, 28 проходят выступы и попадают на изоляцию (положение С, щетки 30, 32 и 34, 36 прощли часть выступа) цепь замкнута. Дальще щетки 30, 32 и 34, 36 проходят оставшуюся часть выступа, а щетки 22, 24 и 26, 28 касаются выступов на кольцах (положение D), дальше щетки 30, 32 и 34, 36 сходят с выступов, отключая соответствующую цепь, но зато выступов касаются щетки 22, 24 и 26, 28 и процесс повторяется. Последовательное включение и отключение щеток в зависимости от положения колец и отображено в виде программы. Включив двигатель 19 и задав необходимую скорость, по включенным нриборам исследуется процесс коммутации, который протекает по следующим этапам: 1.Когда щетки 22, 24 и 26, 28 касаются выступов (положение Л), ток идет по часовой стрелке через коммутирующую секцию I, параллельную цепь якоря IV, щетки 26, 28, установочный резистор 37 на «минус и одновременно против часовой стрелки через параллельную цепь III, коммутирующую секцию II, щетки 26, 28, установочный резистор на «минус. 2.Включаются щетки 30, 32 и 34, 36, а щетки 22, 24 и 26, 28 еще остаются включенными (положение В). Включение щеток 30, 32 и 34, 36 осуществляет замыкание коммутирующих

секций. Секция I замкнута щетками 22, 24 и 30, 32, а секция II щетками 26, 28 и 34, 36. В этих секциях иротекает ток коммутации. Направлеиие тока в параллельных цеиях якоря III и IV сохраняется.

3. В третьем этапе коммутации щетки 22, 24 и 26, 28 отключаются и ток в коммутирующих секциях I и II реверсируется, а в параллельных цепях - сохраняет свое направление.

В дальнейщем цикл повторяется (включаются щетки 22, 24 и 26, 28, затем отключаются щетки 30, 32; 34, 36 и т. д.).

В рассмотренном случае исследуется коммутация одновременно в двух параллельных цепях, моделирующих реальный процесс коммутации электрической мащины. Таким же способом исследуется коммутация в я параллельных целях (например на фиг. 4 - в четырех параллельных цепях).

Согласно схеме на фиг. 4 моделируется электрическая мащина с четырьмя параллельными ветвями якоря 1П, IV, VII, VIII и четырьмя коммутирующими секциями I, II, V, VI. Коммутирующие секции представлены перемычками около щеток, а параллельные цепи якоря - дугами. Ответвления на измерительные приборы здесь не показаны. Не показаны н постоянно включенные щетки.

Для того, чтобы исследовать коммутацию в параллельных цепях при соблюдении соотнощений перекрытия коллекторных пластин и величины межламельной изоляции различного тина мащин, необходимо программный диск 3 (фиг. 5, 6) смесить на валу на угол ее. На этот же угол должны быть смещены и диски 5, 7, 9.

Как нетрудно убедиться, смещение дисков ведет к уменьщению эквивалентного расстояния изоляции Оэ, на величину, пропорциональную углу ее, и одновременно увеличивает эквивалентную щирину выступа (моделирующего собой коллекторную пластину). Это позволяет нам исследовать коммутацию в функции толщины изоляции между коллекторными пластинами, а также настраивать и исследовать процесс коммутации целой серии электрических мащин, что в известных аппаратах невозможно.

На основании исследования коммутации в функции толщины изоляции можно не только судить о характере процесса коммутации, но и выбрать наиболее эффективную толщину межламельной изоляции коллектора.

При исследовании коммутации в функции толщины изоляции между коллекторными пластинами в вышеприведенную формулу по определению периода коммутации вместо Ьн необходимо проставить а.-, (эквивалентное расстояние). Рассматривая вышеприведенную формулу по определению Тк, мы видим, что, регулируя С:), нащ аппарат обеспечивает изменение периода коммутации в большом диапазоне, что очень полезно.

У машин с вентильно-механической коммутацией изоляция между коллекторными пластинами достигает особенно большой величины. Поэтому при исследовании коммутации последних, целесообразно применять не только параллельное включение программных дисков, но и последовательное. При применении последовательного соединения дисков эквивалентное расстояние изоляции а между пластинами можно значительно увеличивать (в то время как при параллельном соединении - уменьщать). На фиг. 8 нриведено последовательное соединение для дисков 2 и 3, смещенных на 0,5 выступа. Соответственно соединяются и другие диски.

Если же исследуют коммутацию при постоянном размере толщины изоляции между коллекторными пластинами (при ), то в этом случае, параллельные программные диски могут быть отключены. Для настройки аппарата имеются мерные деления на дистанционных прокладках и боковых поверхностях

дисков. Настройка производится при ослабленном диске 9.

Предлагаемый аппарат, наряду с основным его назначением может быть использован для передачи или приема сигналов, длительность

которых в этом случае может регулироваться за счет смещения дисков 3, 5, 7, 9. Понятно, что при передаче или приеме сигналов цепи моделирующие электрическую мащину не нужны, а щетки дисков могут соединяться

между собой не только параллельно и последовательно, как указано выще, но и параллельно-последовательно, что дает больщую гибкость настройки н регулирования длительности сигналов.

По сравнению с известными аппаратами, предлагаемый аппарат имеет следующие преимущества.

1.Обеспечивается возможность исследования процессов коммутации в реальных электрических машинах.

2.Возможность исследования процессов коммутации одновременно в п параллельных цепях при соблюдении соотнощений перекрытия пластин и величины межламельной изоляции различного типа машин.

3.Возможность на основании проведенных исследований выбрать оптимальные параметры коллекторных машин.

4.Помимо основного своего назначения аппарат может быть использован для передачи

или приема сигналов, при этом скорость и длительность передачи может плавно регулироваться в больших пределах и имеет высокое быстродействие.

Формула изобретения

Аппарат для исследования коммутации коллекторных электрических машин, содержащий

вал с закрепленными на нем коммутирующими элементами, моделирующими коллекторные пластины, щеткодержатели со щетками, элементы, моделирующие коммутирующие секции машины с датчиками для подключения

измерительных устройств, нанример измерительных шунтов, обмоток и сопротивлений, устройство для подключения источника питания и щеток к элементам, моделирующим коммутирующие секции, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем исследования коммутации в нескольких параллельных цепях при соблюдении соотношений перекрытия пластин и величин межламельной изоляции различного типа машин, коммутирующие элементы выполнены в виде набора программных дисков, состоящих из обода, укрепленного на валу с возможностью поворота, и токопроводящего кольца с вырезами, закрепленного на ободе и изолированного от последнего, при этом вырезы кольца равномерно расположены по окружности и заполнены электроизоляционным материалом, а попарно расположенные диски соединены между собой, например, последовательно или параллельно.

76 т 1 г

И

9 7J /7

1 }

3

о

А

С-1

С л

1л

Сс

2122 Z3 24 2526 2728 23 30 20 31 32 33 34 35 36.

Ю

Vuz.1

0 л

:а

uotiog

-пии пт(нМ -пашзпгзй J/

/ч

Г

OABCDABCDABCSABCDABCSA В. С I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 I I 1 I I I I I I I I I I I I 1 J, I I I 1

nonOfKBHUfi

I I I I I-I I

C a A A S A S C S A B C I I I I I I 1 I I I I I I 1 I I L, I I I I I I I I

I I I I I I I I I IIII Fl I I I I I I

,-9