Щеточно-контактный аппарат для генераторов большой мощности

Авторы патента:

H01R39/00 - Вращающиеся токосъемники, распределители или прерыватели (выключатели, управляемые посредством кулачка, H01H 19/00; конструктивное соединение токосъемников с электрическими машинами или генераторами или расположение в них токосъемников H02K 13/00)

Владельцы патента RU 2791280:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Использование: в области электромашиностроения. Технический результат - обеспечение постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе, что увеличит срок службы щеточно-контактного аппарата, улучшение эксплуатационных показателей устройства. Щеточно-контактный аппарат содержит группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе. Согласно изобретению в каждую группу щеток вводится по две упругие согнутые полуволной пластины, выполняющие роль корректоров упругих сил пружин сжатия. Один конец пластины крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия. 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании электрических машин.

По данным РАО ЕАС России большинство поломок генераторов, составляющих 25% от всех неисправностей, приходится на неисправность щеточно-контактного аппарата (ЩКА) [Плохов И.В., Исаков А.И. Способ уменьшения искрения ЩКА. Известия ТулГУ Технические науки. 2012. Вып.12, ч.2. стр. 342-348]. Поэтому возникает необходимость повысить надежность работы узла ЩКА и генератора в целом.

Известен щеточно-контактный аппарат электрической машины [Патент №191789], технический результат которого заключается в улучшении эксплуатационных показателей изделия. Он достигается тем, в конструкции ЩКА электрической машины, на наружной поверхности контактных колец выполнена винтовая нарезка, которая имеет профиль в виде упорной резьбы, при этом винтовая нарезка одного кольца выполнена почасовой стрелке, а другого – против часовой стрелки.

Однако, контактное усилие между щетками и кольцом меняется и может привести к неисправности ЩКА.

Известен щеточно-контактный аппарат [Патент №2347305], в котором решение проблемы снижения сопротивления скользящего контакта достигается с помощью использования металла с низким сопротивлением.

Однако данное решение достаточно сложное по конструкции и применимо для тихоходных электрических машин достаточно большой мощности.

Известно описание щеточно-контактный аппарат (ЩКА) [Вольдек А.И., Попов В.В. Электрическая машина. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для втузов.-СПб: Питер. 2008.-320 с.], принятое за прототип, в котором ЩКА генератора состоит из контактного кольца, расположенного на роторе, и нескольких групп щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора. За счет прижимных сил, действующих на щетки, обеспечивается механический контакт щетки с кольцом.

Одна из причин выхода из строя ЩКА следующая. В процессе работы генератора щетки стираются, появляется зазор между кольцом и щеткой, контактное усилие уменьшается. В этом случае возможно возникновение искрения, вызывающее выгорание контактной поверхности щеток.

Помимо ухудшения параметров контактного слоя щеток, искрение может привести к круговому огню – аварийному работы ЩКА, выводящему из строя генератор [Качан С.И., Качан О.С. Моделирование процессов износа электрических щеток универсальных электродвигателей с учетом механических факторов//Электричество, 2000. №12, с. 68-70].

Задачей (техническим результатом) заявляемого устройства является обеспечение постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе, что увеличит срок службы щеточно-контактного аппарата, улучшения эксплуатационных показателей устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в щеточно-контактный аппарат, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, в каждую группу щеток вводится по две упругих согнутых полуволной пластин, выполняющих роль корректоров упругих сил пружин сжатия, один конец пластин крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия.

На Фиг.1 приведена принципиальная схема одной группы ЩКА.

На Фиг.2 показаны активные силы действующие на щетку.

На Фиг.3 показано начальное положение щетки (x=0).

На Фиг.4 показано перемещение щетки на 2 см (x=2 см).

На Фиг. 5 показано перемещение щетки на 3 см ( x=3 см).

Предлагаемое устройство (Фиг.1а) содержит щетку 1, которая помещена в щеткодержатель 2, закрепленный на статоре генератора. Щетка 1 с помощью пружины сжатия 3 прижимается к контактному кольцу 4.

В устройство введены две упругих согнутых полуволной пластин 5, выполняющих роль корректоров упругих сил пружины сжатия 3, один конец пластин крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия 3.

Устройство работает следующим образом. На фиг.1a показано начальное положение устройства, когда щетку 1 поставили в щеткодержатель 2. В этом случае распорные силы упругих пластин направлены перпендикулярно к пружине сжатия. Поэтому на щетку действует только вертикальная сила пружины сжатия. При стирании щетки пружина начнет растягиваться, упругая сила будет уменьшаться, а пластины начнут поворачиваться вокруг неподвижного шарнира (Фиг.1б). Распорное усилие пластин будет давать проекцию на ось пружины сжатия (Фиг.2). Эта сила будет компенсировать потерю упругой силы пружины. Таким образом, можно добиться постоянного усилия в вертикальном направлении, а значит обеспечить постоянное усилие между щеткой и кольцом на роторе генератора.

В конечном положении, когда пружина полностью растянута, проекции усилия пластин на ось пружины должна равняться усилию пружины сжатия в начальный момент . Из этого условия находим необходимое распорное усилие пластины . Зная необходимое усилие пластин, находим необходимый конечный угол между линией действия усилия пластины и пружиной сжатия:

где – жесткость пружины сжатия, – начальная деформация пружины сжатия, – конечный угол между линией действия усилия и пружиной сжатия.

Таким образом определится положение неподвижного шарнира, которым крепится пластина.

Пример реализации устройства.

Изготовлен макет щеточно-контактного аппарата, в котором усилие на щетку остается во все время работы генератора постоянным и равным 1.1кГ при срабатывании щетки на 3 см. Выбрана пружина длиной 6 см и жесткостью 0.37 кГ/см. При постановке щетки пружина сжимается на 3 см.

Упругая пластина выбрана из условия, чтобы конечный угол между линией действия усилия и пружиной составлял 600 градусов. Тогда, используя условие равенства проекции сил на щетку по вертикале в конечный момент (пружина полностью расслаблена) значению упругой силе

, необходимое усилие в одной пластине должно быть s=1.1 кГ.

Проекция всех активных сил на вертикаль в текущей момент равна:

где – величина, на которую стирается щетка.

Значения этой проекции при трех моментах времени составит:

Начальное положение:

при см, получаем кГ,

при см, , получаем кГ,

при см, , получаем кГ.

Таким образом, контактное усилие практически остается постоянным за все время стирания щетки. Измерение суммарного усилия по вертикали динамометром подтвердило постоянство контактного усилия.

На Фиг.3 перемещения щетки нет ( см). На Фиг.4 перемещение щетки равно 2см ( см). На Фиг.5 перемещение щетки 3 см (см).

Контактное усилие во всех случаях равно 1,1 кГ.

Щеточно-контактный аппарат, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе, отличающийся тем, что в каждую группу щеток вводится по две упругие согнутые полуволной пластины, выполняющие роль корректоров упругих сил пружин сжатия, один конец пластины крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия.

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к многоканальным токосъёмным устройствам, и может быть использовано для одновременного приема/передачи электрических сигналов различной частоты и мощности, в том числе и цифровых сигналов сопряжения, а также напряжений питания постоянного и переменного тока от подвижной части антенн к неподвижной части антенно-фидерных трактов радиолокационных станций как гражданского, так и военного назначения.

Способ контроля сопротивления контактных пар подвижных контактных устройств // 2775376

Способ контроля сопротивления контактных пар перемещающихся контактных устройств (ПКУ) относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к способам контроля малых сопротивлений. Технический результат заключается в упрощении процесса контроля и повышении достоверности результатов контроля.

Узел скользящего токосъема // 2752651

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к коллекторным электрическим машинам постоянного и переменного тока общепромышленного и авиационного исполнения, и может быть использовано для ускоренного наведения медно-оксидных поверхностных пленок на коллекторах электрических машин постоянного и переменного тока.

Многоканальный вращающийся жидкостный токосъёмник // 2742895

Способ передачи электроэнергии между подвижными частями объекта // 2738252

Способ передачи электроэнергии между подвижными частями объекта относится к электротехнике и энергетике, в частности к способам, которые обеспечивают непрерывную передачу энергии между отдельными блоками одного объекта, перемещающимися друг относительно друга. Электрический контакт между взаимно перемещающимися частями объекта создают в контактной паре, где процесс скольжения контактов друг по другу заменяют на процесс «шагания» одного контакта по-другому.

Коммутирующее устройство // 2735853

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в коллекторном электрическом двигателе постоянного тока с улучшенными коммутационными свойствами. Технический результат изобретения заключается в увеличении надежности коллектора и улучшении технологичности сборки, путем улучшения коммутации, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле.

Способ передачи вращения с поворотной части токоприемника кольцевого // 2668938

Изобретение относится к машиностроению, в частности к кольцевым токоприемникам. Способ передачи вращения с поворотной части токоприемника кольцевого с вертикальным расположением стойки и низковольтной (силовой) и функциональной ( высоковольтной, сигнальной, для передачи данных) частями включает передачу вращения от поворотной части токоприемника к неповоротной.

Токопередающий элемент // 2662220

Токопередающий элемент предназначен для применения в токоприемниках, обеспечивающих передачу электроэнергии либо электрических сигналов от неподвижного элемента конструкции к вращающемуся либо в обратном направлении. Токопередающий элемент может быть использован в токоприемниках экскаваторов, грузоподъемных механизмов, телескопов, поворотных антенн, ветряных электрогенераторов.

Многоканальное токосъемное устройство // 2653703

Изобретение относится к области электротехники, к многоканальным токосъемным устройствам миниатюрного исполнения. Многоканальное токосъемное устройство, имеющее несколько электрических цепей, состоит из корпуса и соосно-расположенного внутри него вала, на которых установлен набор чередующихся коаксиальных токосъемных колец и коаксиальных изоляционных шайб; между неподвижным наружным и подвижным внутренним кольцами каждой коаксиальной пары токосъемных колец находятся контактирующие с ними упругие токопроводящие кольца, чередующиеся с диэлектрическими роликами; вал установлен в корпус посредством радиально-упорного подшипника, расположенного с одного торца устройства, корпус и вал выполнены из алюминия, а диэлектрические цилиндрические поверхности корпуса и вала, контактирующие с токосъемными кольцами, сформированы многослойными лакокрасочными покрытиями с последующей механической обработкой.

Высоковольтный кольцевой токоприемник // 2591280

Изобретение относится к электротехнике, в частности к щеточным высоковольтным токосъемникам с воздушной изоляцией. Высоковольтный кольцевой токоприемник содержит в каждой фазе контактное кольцо, закрепленное к основному валу через изолятор, щетки, закрепленные в щеткодержателях на жесткой скобе.