ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОЛЛЕКТОР Советский патент 1941 года по МПК H02K9/28 

Для того, чтобы построить высоковольтный коллектор, необходимо допустить напряжение между коллекторными пластинами 1000 V и выше.

Известно, что если дуга возникла, то для ее поддержания требуется значительно меньшее напряжение, которое практически и теоретически определяется цифрой 24-28 V. В связи с этим существующие машины постоянного тока (кроме ряда высоковольтных машин и трансвертеров) строятся с таким расчетом, чтобы дуга, если даже и возникнет, то не могла бы гореть.

Предлагаемый коллектор выполнен так, чтобы не дать возможности дуге загореться. При малых мощностях напряжение между коллекторными пластинами допускается до 300 V и выше, при больших мощностях - до 25 V. Последнее объясняется тем, что коммутация тока при больших мощностях наиболее затруднена в виду малого сопротивления секции, несколько больших реактивных напряжений больших потерь на коллекторе, которые ведут к большему нагреву коллектора, что способствует ионизации воздуха, окружающего коллектор.

Увеличение ширины изоляции между пластинами, хотя и дает возможность поднять допустимое напряжение, но не может решить вопроса до конца. Тюри брал миканитовую изоляцию от 1,5 до 3,5 мм и допускал среднее напряжение до 250 V, т.е. e_max=250×1,8=450 V. В построенном в Англии трансвертере на 2000 kW при воздушной изоляции между пластинами в 1,6 мм максимальное напряжение допускалось 274 V, а если бы ширину изоляции поднять до 3 мм, то, надо полагать, напряжение могло бы быть поднято до 550 V, но в этом не было необходимости, так как напряжение машины ограничивалось не коллектором, а условиями коммутации.

Для того, чтобы исключить вероятность втирания щеточной пыли между пластинами в миканитовую изоляцию и обеспечить интенсивную вентиляцию пространства между пластинами и пространства, окружающего коллектор, в предлагаемом коллекторе применена комбинированная изоляция между пластинами с воздушным самодутьем. По краям между пластинами закладывается миканитовая изоляция, причем на поверхности и внутри коллектора миканитовая изоляция должна выходить на 2 мм от края пластин. Это возможно потому, что щетки в этих местах скользить не будут. Все остальное пространство между пластинами ничем заполняться не будет. В этом промежутке и будут установлены щетки.

В предлагаемом коллекторе, согласно изобретению, межпластинная изоляция со стороны воздушных каналов, поверхность отверстий в нажимных шайбах и направляющая на валу выполнены по кривой лемнискате. Такая форма, по изысканиям изобретателя, наилучшим образом обеспечивает обдув всей подлежащей охлаждению поверхности струями проходящего воздуха.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 и 2 которого предлагаемый коллектор изображен в двух проекциях (с частичными разрезами).

Как показано на чертеже, для обеспечения "естественной" вентиляции в нажимных шайбах 3, которые поддерживают коллекторные пластины 1, сделаны восемь вентиляционных отверстий 2, которые видны на разрезе и на проекции. Коллекторная пластина 1 не имеет ласточкина хвоста, а крепится с помощью нажимных шайб и нажимных колец 6 и 7. Таким образом конструкция выполнена по типу турбоколлектора. Миканитовая межпластинная изоляция 10 со стороны воздушной изоляции выполнена по кривой лемнискате для того, чтобы струи проходящего воздуха наилучшим образом обдували всю ее поверхность. По кривой лемнискате выполнена и поверхность отверстий в нажимной шайбе 3. Эта кривая должна быть непрерывной, начиная от края отверстия в нажимной шайбе 3 и кончая краем, выходящим на поверхность коллектора. Вентиляционные отверстия 2 сделаны в нажимных шайбах 3 с обеих сторон. Для направления струи воздуха на валу коллектора установлены направляющие 4. Кольцо 9 изолирует от пластин 1 стальные кольца 6 и 7, а также увеличивает скорость воздуха, проходящего через коллектор. Скорость струи воздуха при вращении коллектора будет вполне достаточна для того, чтобы не допустить попадания щеточной пыли между пластинами и внутрь коллектора. Скорость воздуха, по ориентировочным подсчетам для построенного коллектора, получается около 5 м/сек; в нормальном коллекторе эти скорости будут . Работу системы вентиляции в прелагаемом коллекторе можно уподобить работе центробежного вентилятора; роль лопаток выполняют коллекторные пластины. Движение воздуха будет направлено от входных отверстий в нажимной шайбе к поверхности коллектора. Из сказанного ясно, что слои воздуха, окружающие пластины и коллектор, будут все время заменяться новыми, что исключит возможность ионизации воздуха между пластинами и вокруг коллектора. Щеточная пыль попасть внутрь коллектора никак не может, так как она будет выдуваться наружу сильной струей воздуха. Может итти речь только о пыли посторонней, находящейся в воздухе, которая вместе с воздухом будет проходить через коллектор.

Внутренняя поверхность коллектора выполнена таким образом, чтобы избежать воздушных мешков, в которых могла бы задерживаться пыль. При этом условии пыль останавливаться не сможет.

В крайнем случае, во входные отверстия могут быть поставлены фильтры, но изобретатель полагает, что в них не будет надобности, так как мало вероятно, что без наличия воздушных мешков пыль при сильном дутье будет задерживаться, а кроме того незначительное запыление не внесет неприятностей, поскольку напряжение между коллекторными пластинами взято с десятикратным запасом. Втирание щеточной пыли в пространство между пластинами в предлагаемой конструкции устраняется тем, что нигде под щетками не будет миканитовой изоляции. В данной конструкции наиболее слабым местом будет внутренняя поверхность миканитовой изоляции со стороны воздушной изоляции, но в случае интенсивной вентиляции, приближающей условия работы к нормальным условиям в воздухе, взятое напряжение в 1000 V будет надежно выдерживаться изоляцией. Изобретателем был сделан макет двух пластин с комбинированной изоляцией, который был испытан при нормальных условиях на пробивное напряжение между пластинами, причем пластины между собой соединялись металлическим стержнем, изолированным втулкой. Пробои произошел как раз по этой втулке при 5 kV переменного тока, т.е. при 7 kV амплитудного значения, и надо предполагать, что нормально пробой произойдет при 11-13 kV. Этот опыт подтвердил, что скользящих разрядов через внутренние поверхности слюды происходить не будет, что и понятно, так как известно, что такие разряды имеют место на границе раздела двух диэлектриков, когда силовые трубки частью проходят через одно изолирующее тело, а частью через другое, и в зависимости от длины силовой трубки меняется их сечение, причем появляется тангенциальная составляющая; в предлагаемом коллекторе поле между пластинами 1 равномерное. Поэтому, если при нормальных условиях комбинированная изоляция шириной 3 мм пробивается при 11-13 kV, то при работе, в случае, если вентиляция приблизит рабочие условия к нормальным, напряжение между пластинами 1000 V вполне можно допустить.

Конструкция предлагаемого высоковольтного коллектора может быть выполнена и с ласточкиным хвостом.

Для того, чтобы лучше изолировать коллектор от корпуса, при коллекторных пластинах с ласточкиным хвостом можно заменить чугунный корпус коллектора текстолитовым.

Для увеличения напряжения между коллекторными пластинами и вообще поднятия диэлектрической прочности коллектора можно поместить его в камеру с высоким давлением.

1. Высоковольтный коллектор с радиальным охлаждением, у которого охлаждающий воздух, засасываемый при вращении во внутреннюю полость коллектора, прогоняется сквозь радиальные каналы, расположенные по окружности коллектора в средней части последнего и сообщающиеся с внутренней полостью коллектора, отличающийся тем, что, с целью исключения втирания щеточной пыли между пластинами в изоляцию и обеспечения интенсивной вентиляции коллектора, междупластинная изоляция со стороны воздушных каналов, поверхность отверстий в нажимных шайбах и направляющая на валу выполнены по кривой лемнискате таким образом, чтобы струи проходящего воздуха обдували всю ее поверхность.

2. В коллекторе по п. 1 применение коллекторных пластин в качестве вентиляционных лопаток.

3. Форма выполнения коллектора по п. 1, отличающаяся применением вентиляционных отверстий в нажимных шайбах с обеих сторон коллектора.