Щеточно-коллекторный узел электрической машины

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s Н 02 К 13/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4868320/07 (22) 25.06.90 (46) 30.12.92. Бюл. N 48 (71) Московский институт радиотехники, электройики и автоматики и Производственное объединение "Рижский электромашиностроительный завод" (72) В.Л.Лотоцкий, С.В.Лотоцкий, А.И.Безсмертный и А.Б.Ниживий (56) Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины. часть IÈ. Электрические ма-. шины постоянного тока, М,: МАИ, 1971, с, 33-34.

Патент Швейцарии

f+ 570730, кл. Н 02 К 13/14, 1975.

Авторское свидетельство СССР

N1192048,,кл. Н 02 К 13/14, 1984, Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам постоянного тока и универсального питания, имеющим дополнительные устройства для улучшения коммутации.

Известен щеточно-коллекторный 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 электропитания 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.

ЫЛ 1785064 А1

2 (54) ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (57) Использование: электротехника, коллекторные электрические машины постоянного тока. Сущность изобретения: щеточно-коллекторный узел содержит коллектор, пары рабочей и дополнительной ще. ток, блок улучшения коммутации в виде нелинейного резистивного элемента. Возможно подключение конденсатора параллельно нелинейному реэистивному 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.

Известен щеточно-коллекторный узел микродвигателя постоянного тока, содержащий щетки и коллектор, к смежным пластинам которого подключены биполярные нелинейные резистивные элементы — варисторы. Недостатком данного решения является расположение нелинейных элементов, число которых равно числу коллекторных пластин, на вращающемся якоре, что сни>кает 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, подключен-. ный к выводам каждой пары оабочей и дополнительной щеток, причем вывод рабочей

1785064 щетки непосредственно подключен к зажиму источника электропитания, .К недостаткам известного решения относится малая надежность, обусловленная периодическим закорачиванием через пла- 5 стину 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 10 пб сравнению с шириной пластины тангенциальйый размер диэлектрической вставки сильно снижает эффективность работы устройства коммутацйи. так как время введения ЭДС вспомогательного источника в 15 контур коммутации много меньше времени коммутационного цикла;

Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в щеточно-кол- 20 лекторном узле электрической машины, содержащем коллектор с коллекторными пластинами, разделенными диэлектрическими вставками, пары рабочей и дополнительной щеток. блок улучшения 25 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 30 улучшения коммутации выполнен в аиде нелинейного резистивйого элемента, а тангенциальные размеры дополнительной щетки и диэлектрической вставки удовлетворяют следующим соотношениям - 35

ЧР 1 э

Ьдоп = U "; (1) о

Ьдиэл = (1,05... 1,1 ) Ьдоп„(2) где Ьдоп — ширина дополнительной щетки; 40

Ьдиэл — ширина диэлектрической вставки, Ч» — окружная скорость коллектора;

1 э — собственная индуктивность комму-. тируемой секции; 45

1 — удвоенный ток параллельной ветви обмотки якоря, U0 — напряжение пробоя йелйнейного реэистивного элемента.

50 . Согласно и. 2 формулы изобретения, с целью увеличения надежности и расширения области применения, параллельно нелинейному резистивному элементу через диод подключен конденсатор, к зажимам 55 которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора и тиристора со схемой управления, Согласно и. 3 формулы изобретения, с целью расширения области применения, нелинейный реэистивный 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.

Благодаря конструктивным особенностям щеточно-коллекторного узла, определяемым соотношениями тангенциальных размеров дополнительной щетки и диэлектрической вставки, в коммутируемый контур в определенный интервал коммутационного цикла при помощи нелинейного резистивного элемента вводится коммутирующее напряжение такого уровня, который не вызывает появления коммутационной дуги.

А если этот уровень в момент размыкания щетки с коллекторной пластиной должен быть Ilo условиям реализации коммутации тока в секции достаточно выСоким, то вводится временная задержка путем шунтирования нелинейного резистивного элемента конденсатором, который в нерабочем интервале цикла должен быть разряжен.

На фиг. 1 йриведена схема щеточно-кол- . лекторного узла электрической машины с блоком улучшения коммутации со стороны одного зажима источника электропитания, т,е, для одной пары рабочей и дополнительной 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 однои двухполупериодный выпрямитель.

Щеточно-коллекторный узел (фиг. 1) содержит коллектор с пластинами 1, разделенными диэлектрическими вставками 2, Пластины 1 подключены к секциям 3 обмотки якоря машины, Рабочая щетка 4 непосредственно подключена своим выводом к зажиму 5 источника электропитания и отделена от дополнительной щетки 6, установленной со стороны ее сбегающего края, изоляционным слоем 7. Между выводами щеток 4 и 6 подключен нелинейный резистивный элемент 8, который. в зависимости от вида вольт - амперной характеристики может являться уйиполярным (несимметрйчная характеристика) или биполярным (симметричная характеристика).

Практическая реализация униполярного нелйнейного резистивного элемента наиболее проста. Это позволяет получить также наиболее простое конструктивное решение

1785064 щеточно-коллекторного узла, HQ машина образуется путь для тока параллельной ветпри этом лишается универсальных свойств, ви обмотки якоря, являющейся в силу ее ак как выводы рабочих щеток необходимо значительной индуктивности источником подключать только к зажимам электропита- . тока, а не напряжения, через дополнйтельния определенной полярности. Примене- 5 ную щетку 6 и нелинейный элемент 8, котоние биполярного нелинейного рый пробивается практически мгновенно и резистивного элемента позволяет исклю- его напряжение пробоя Uo прикладывается чить указанный недостаток. к коммутируемой секции 3, вызывая проТот или ийой вариант практической ре- цесс ее коммутации. При этом вышепривеализации нелинейного резистивного эле- 10 денные соотношенйя тангенциальных мента (униполярного или биполярного) для .размеров дополнительной щетки и диэлект. выполнения своей функциональной задачи рической вставки играют следующую роль. должен обладать однозначной вольт- ампер- Выполнение соотношения (1) обеспечийой характеристикой, обладающей пренеб-, вает минимально необходимое время ввережимо малым током утечки при 15 дения в контур коммутации напряжения напряжениях на элементе, меньших "ripo- пробоя Uo, которое определяется из (1) как g бивного (порогового) напряжения Uo, а при = bnon/Ч» = Lsl/Uo При этом необходимо напряжениях, больших Uo, — достаточно ма- заметить, что соотношение (1) получено при лым дифференциальным сопротивлением пренебрежении активным сопротивлением элемента. Этсьсвойство позволяет образо- 20 контура, что приводит на практике к некотовать параметрический стабилизатор напря- рому запасу по времени коммутации. жения, последовательным компонентом Выполнениесоотношения(1)неразрыв.которого является параллельная ветвь об- но связано с выполненйем соотношения (2). мотки якоря машины, а параллельным ком- Так время, предоставляемое на протекание понентом - нелинейный резистивный 25 коммутационного процесса в секции 3, исэлемент, а затем указанный стабилизатор числяется от момента покидания щеткой 4 встраивается в каждую щеточную пару ще- коллекторной пластины 1 до момента покиточно-коллекторного узла машины. дания этой же пластины сбегающим краем

В схеме щеточно-коллекторного узла, . дополнительйой щетки 6. причем набегаюприведенного на фиг. 2. параллельно нели- 30 щий край дополнительной щетки не должен нейному резистивному элементу S через ди- . до этого момента находиться в контакте со од 9 подключен конденсатор 10, к зажимам .следующей коллекторной пластиной. Таким которого параллельно подключена разряд- образом, ширина дополнительной щетки 6 ная цепочка последовательно соединенных будет определять время коммутации только резистора 11 и тиристора 12. Для отпирания 35 о том случае, если ширина диэлектрической тиристора 12 служит схема управления 13, вставки 2 будет как минимум равна ширине которая может иметь различную схемотех- дополнительной щетки (толщиной изоляциническую реализацию, На фиг. 2 приведен онного слоя ввиду его малости пренебрегаодин из возможных вариантов этой реали- ем). С другой стороны, для исключения зации, который состоит из измерительного 40 дополнительного короткого замыкания довыпрямителя на точечном диоде 14, вход . полнительной щеткой 6 двух соседних калкоторогО подключей к зажимам нелинейно-: .лекторных пластин и связанной с ними го элемента 8, а выход — к плоскостному секции 3, ширина дополнительной щетки диоду 15, являющемуся входом усилителя- должна быть всегда меньше, чем ширина формирователя на транзисторе 16, который 45 диэлектрической вставки 2. В это же время в свою очередь соединен с инвертором (схе-. значительно увеличивать ширину диэлектма "HE") на транзисторе 17, выход которого рической вставки нецелесообразно, так как через конденсатор 18 подключен к ynpasnsi- это напрямую связано со снижением эффекющему электроду тиристора 12; тивности коллектора (сокращение крнтактВ схеме щеточно-коллекторного узла, 50 ной поверхности), поскольку приводит к приведенного на фиг. 3, применен биполяр-, . уменьшению тангенциальных размеров ный нелинейный резистивный элемент 8. пластин коллектора и рабочей щетки. Таким

Возможность изменения полярности на образом, ширина диэлектрической вставки элементе 8 привела, в отличие от схемы фиг, лишь незначительнодолжна превышать ши-

2, к использованию в схеме фиг. 3 двухполу- 55 рину дополнительной щетки, что реализовапериодных(мостовых) выпрямителей 9и14, но в,соотношении (2) аведенйем а в остальном схемы идентичны. " — - соответствующего числового множителя, Устройство, приведенное на фиг. 1, ра- который учитывает неизбежйый технологиботаетследующимобразом. При покидании, ческий разброс прй изготовлении коллекто= рабочей, щеткой 4 коллекторной пластины 1 ра и щеток.

1785064 главного поля секции 3 к моменту завершенйя ее коммутации и оставаться таковым до . 10

30

40 рой сбегающей край рабочей щетки 4 45 элементе 8, а также на входе схемы управ- 55

Нелинейный резистивный элемент 8 обесточивается, как только завершится коммутационный процесс в секции 3, и находится в этом состоянии до наступления следующего цикла коммутации. Этому способствует то обсточтельство, что напряже ние пробоя !я нелинейного резистивного элемента должно превосходить ЭДС от момента покидания дополнительной щеткой 6 коллекторной пластины 1. При перемещении изоляционного слоя 7 в пределах дуги, определяемой шириной коллекторной пластины, контур, образуемый рабочей щеткой 4, нелинейным элементом 8 и дополнительной щеткой 6, закорачивается указанной пластиной, а элемент 8 выключается из работы.

В низковольтных электрических машинах для нормальной коммутации дбстаточно иметь напряжение пробоя U, нелинейного резистивного элемента не более 2.,;4 В; что не позволяет развиться дуговому процессу на сбегающем крае щетки. При использовании нелинейных резистивных элементов с более высоким уровнем пробивного напряжения (это позволяет расширить область применения), чтобы исключить появление дугового разряда, применены более сложные схемы щеточно-коллекторного узла (фиг. 2 и фиг, 3), которые работаю т аналогично, Поэтому рассмотрим одну из них, а именно схему, приведенную на фиг. 2.

При покидании рабочей щеткой 4 коллекторной 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 котоуспевает 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 Uo нелинейного элемента, после чего конденсатор

10 отключается, оставаясь заряженным. В момент завершения коммутационного цикла машины, напряжение на нелинейном ления 13 резко падает, что приводит к отпиранию транзистора 16 и запиранию транзистора 17, сигнал с которого, продиф.ференцированный 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 в нем электрическую энергию. При

5 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 1 0 оказывается подготовленным к следующему коммутационному циклу;

По сравнению с известными из литературы устройствами для улучшения коммута5 ции использование данного изобретения позволяет: — снизить тепловую нагрузку скользящего контакта, отводя коммутационные потери за его пределы; — снизить потери мощности в скользящем контакте, применив металлокерамические щетки; — ликвидировать дополнительные полюсы в магнитной системе машины;

5 — 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 эконо-. мические показатели производства новых машин в связи с сокращением расхода меди и электротехнической стали, а также в связи с упрощением технологии производства металлокерамических щеток по сравнению с угольнографитными или электрографитированными..

Формула изобретения

1. Щеточно-коллекторный узел электри. ческой 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 элек0 тропитания, отличающийся тем, что, с целию повышения наде>кности и упроще- . ния конструкции, блок улучшения коммутации выполнен в виде нелинейногорезистивного элемента, а тангенциальные размеры дополнительной щетки и диэлектрической вставки удовлетворяют следующим соотношениям:

Чк 18! одоп =

Uo

1785064

b„»ä =(1,05... 1,1 ) b»п где Ьдоп — ширина дополнительной щетки;

Ьдиэл — ширина диэлектрической вставки; 5

V< — окружная скорость коллектора;

L< — собственная индуктивность коммутируемой секции;

I — удвоенный ток параллельной ветви обмотки якоря; 10

Uo — напряжение пробоя нелинейного резистивного элемента, 2. Узел электрической машины по и. 1, . отличающийся тем. что, с целью увеличения надежности и расширения обла- 15 сти применения, параллельно нелинейному резистивному элементу через диод подключен конденсатор, к зажимам которого параллельно подключена разрядная цепочка последовательно соединенных резистора и тиристора со схемой управления.

3. Узел электрической машины по и. 1, от л и ч а ю шийся 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.

1785064 г.

Составитель В.Лотоцкий.

Техред М.Моргентал Корректор И.Шулла

Редактор

Заказ 4369 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5.

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101