Токосъемное устройство для электрической машины

 

Использование: конструирование электрических машин с коллекторами или с контактными кольцами. Сущность изобретения: щеточный диск 2 жестко закреплен на оси 3. В середине оси 3 жестко закреплено зубчатое колесо 4, установленное на зубчатой рейке 5, закрепленной в прорези щеткодержателя 6, с возможностью движения колеса 4 по рейке 5 по направлению к коллектору под действием пружины 7. Один конец пружин взаимодействует с осью 3, а другой жестко закреплен в конце прорези щеткодержателя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании токосъемных устройств электрических машин с коллекторами или с контактными кольцами. Известно токосъемное устройство для электрической машины, содержащее коллектор, щетку, выполненную в виде диска с секторным вырезом, одна из поверхностей которого контактирует с коллектором, и жестко закрепленную на оси, расположенной перпендикулярно продольной оси коллектора, концы оси помещены со скользящей посадкой в конусные углубления стоек щеткодержателя, одна из которых жесткая, а другая - упругая и нажимную спиральную пружину, один конец которой жестко соединен с осью щетки, а другой опирается на щеткодержатель. Известно токосъемное устройство для электрической машины, содержащее коллектор, щетку, выполненную в виде двух дисков с секторным вырезом и с тангенциальными пазами на боковой поверхности, закрепленных на оси, расположенной перпендикулярно ламелям коллектора, концы которой имеют скользящую связь со стойками щеткодержателя, причем пазы одного диска смещены относительно пазов другого диска на угол, равный половине угла между соседними пазами одного диска, между дисками на оси установлена дистанционная шайба и две нажимные пружины, одним концом закрепленные на стойках щеткодержателя, а другим концом взаимодействующие с другой поверхностью секторного выреза каждого диска. Известно также токосъемное устройство для электрической машины, содержащее коллектор или контактное кольцо, щетку, выполненную в виде отделенных друг от друга дисков, расположенных на оси и имеющих вырезы, поверхности которых контактируют с коллектором или с контактным кольцом под действием по крайней мере одной нажимной пружины, щеткодержатель. На оси дисков данного устройства расположена и имеет с ней скользящую связь по крайней мере одна втулка, с которой связан конец нажимной пружины, ось дисков консольно жестко закреплена в щеткодержателе, втулка имеет возможность поворота вокруг этой оси по мере износа щетки, для чего второй конец нажимной пружины закреплен на оси, каждый диск закреплен на втулке, которая выполнена изолирующей, положение втулки вдоль оси фиксировано, при этом токоподвод к дискам осуществлен с помощью наконечника токоведущего провода, который прижат к крайней мере одной торцевой поверхности каждого диска с помощью дополнительного регулируемого запорного устройства, установленного на втулке. Недостатком указанного токосъемного устройства является ослабление нажатия пружины по мере изнашивания дисков, в результате чего может увеличиваться скорость изнашивания щетки и коллектора. К недостаткам конструкции относится также неполное использование рабочей поверхности дисков из-за наличия секторных вырезов, что снижает геометрический ресурс щетки. Вышеуказанные недостатки приводят к снижению срока службы токосъемных устройств. Целью изобретения является повышение срока службы токосъемного устройства электрической машины путем увеличения геометрического ресурса щетки за счет изнашивания щеточных дисков по спирали. Сущность изобретения состоит в том, что щеткодержатель содержит продольную прорезь прямоугольной формы, выполненную в радиальном направлении, ось с жестко закрепленными на ней дисками снабжена колесом с возможностью его перемещения вдоль прорези щеткодержателя в радиальном направлении к коллектору или контактному кольцу под действием нажимной пружины, один конец которой свободно соединен с осью, а другой жестко закреплен на щеткодержателе, причем диаметр колеса d связан с расстоянием между витками спирали b, образованной слоями изнашивания диска, соотношением b = π d. В качестве колеса может быть взято фрикционное колесо с возможностью перемещения по поверхности прорези щеткодержателя, причем пружина закреплена под углом α к прорези щеткодержателя, где 15^о ≅α≅ 45^о, за счет этого создается сила трения, прижимающая колесо к поверхности прорези. В качестве колеса может быть использовано зубчатое колесо с возможностью перемещения по зубчатой рейке, закрепленной в прорези щеткодержателя. В отличие от прототипа ось дисков не только поворачивается по мере изнашивания дисков, но и сдвигается вдоль радиальной прорези щеткодержателя, вследствие чего диски изнашиваются по спирали, что позволяет увеличить их геометрический ресурс и как следствие срок службы. При этом действие пружины направлено вдоль прямой, что позволяет применить рулонную пружину постоянного нажатия, и где использована спиральная пружина, нажатие которой ослабевает по мере изнашивания диска. Вращательное движение оси в отличие от прототипа обеспечивается силой трения фрикционного колеса о поверхность прорези или силой механического сцепления зубчатого колеса и зубчатой рейки. Для изнашивания спирали щеточных дисков по спирали необходимо, чтобы по мере изнашивания дисков вдоль оси, на которой закреплены диски, не только поворачивалась на соответствующий угол, но и двигалась линейно по направлению к коллектору или контактному кольцу, причем вращательному движению в один оборот должно соответствовать линейное смещение вдоль прорези щеткодержателя, равное расстоянию между витками спирали b, откуда следует формула b = π d. Диск может быть выполнен с постоянным радиусом и иметь сегментный вырез, половина поверхности которого контактирует с коллектором или контактным кольцом, причем высота сегмента выреза равна расстоянию между витками спирали b. Возможно выполнение дисков с переменным радиусом, уменьшающимся по витку спирали от максимального значения R в начале витка до значения R - b в конце витка. Расстояние между витками спирали b определяется из условия обеспечения необходимой площади контактной поверхности, которая в свою очередь определяется величиной плотности тока (S=C·a, где а - толщина диска, С - ширина контактной зоны). При расположении оси дисков перпендикулярно оси коллектора или контактного кольца (см.фиг.1) величины С и b связаны соотношением С² = R²-(R-b)²=b(2R-b); (1) или b = R- . При расположении оси дисков параллельно оси коллектора или контактного кольца (см. фиг.2) длина хорды С₁, соответствующей длине дуги С контактной зоны, связана с расстоянием между витками спирали b соотношением C²₁= ; (2) C = 2Rkarcsin; C ≈ C₁, где R_к - радиус коллектора или контактного кольца. Для обеспечения вращательно-поступательного движения оси дисков может быть использовано зубчатое колесо, жестко закрепленное на оси дисков и перемещающееся по зубчатой рейке под действием рулонной или винтовой цилиндрической пружины. Зубчатая рейка крепится на одной из продольных сторон прорези щеткодержателя, по обе стороны сбоку от зубчатого колеса и щеткодержателя на оси закреплены щеточные диски. Под действием пружины, один конец которой свободно соединен с осью дисков, а другой жестко закреплен на щеткодержателе, зубчатое колесо перемещается вдоль рейки в радиальном направлении к коллектору или контактному кольцу по мере изнашивания дисков. При этом за один оборот зубчатого колеса ось смещается в радиальном направлении на величину b = π d (где d - диаметр колеса), равную расстоянию между витками архимедовой спирали, образованной слоями изнашивания диска. Для обеспечения такого же вращательно-поступательного движения оси аналогичным образом может быть использовано фрикционное колесо, жестко закрепленное на оси дисков. Колесо помещается в прорези щеткодержателя, по обе стороны от колеса жестко закреплены диски. Диски прижимаются к коллектору или контактному кольцу под действием пружины, один конец которой свободно соединен с осью, а другой жестко закреплен на щеткодержателе таким образом, что линия, по которой действует нажимное усилие пружины Р, образует с поверхностью прорези угол α где 15^о ≅α≅ 45^о. При этом сила нормального давления N, с которой колесо действует на поверхность прорези, определяется по формуле N = Psin α . Сила трения F = fN, где f - коэффициент трения. Угол α должен выбираться из интервала 15^о ≅α≅45^о, так как при α< 15^о значение силы трения F = Psin α слишком мало, чтобы обеспечить движение фрикционного колеса без проскальзывания. Выбор α > 45^онецелесообразен, так как слишком мала составляющая нажимного усилия пружины Рсos α обеспечивающая перемещение колеса вдоль прорези. Для увеличения силы трения F поверхность колеса может иметь форму клина, а в поверхности прорези может быть выполнен клиновидной формы паз, с углом клина γ = 15-18^о. Тогда F = f'sinα, где f' = f/sinγ, т.е. сила трения увеличивается в 3-4 раза. Выполнение фрикционного колеса в форме клина или из резины способствует, кроме увеличения силы трения, уменьшению вибраций щетки. При ограниченных габаритах для получения минимального расстояния между витками спирали b, в качестве фрикционного колеса может быть использована сама ось, на которой закреплены диски. Диаметр колеса d = b/π определяется той же формулой, так как линейное смещение оси за один оборот должно быть равно b. На фиг. 1 представлен вариант токосъемного устройства с использованием зубчатого колеса, ось дисков перпендикулярна оси коллектора или контактного кольца; на фиг. 2 - вариант с использованием фрикционного колеса, ось дисков параллельна оси коллектора или контактного кольца. Токосъемное устройство содержит коллектор или контактное кольцо 1, щеточный диск 2, жестко закрепленный на оси 3. В середине оси 3 жестко закреплено зубчатое колесо (шестерня) 4, установленное на зубчатой рейке 5, закрепленной в прорези щеткодержателя 6, с возможностью движения шестерни 4 по рейке 5 по направлению к коллектору или контактному кольцу 1 под действием пружины 7. Один конец пружины 7 свободно соединен с осью 3, а другой жестко закреплен в конце прорези щеткодержателя 6. Пружина 7 может быть винтовой, цилиндрической или рулонной, так как она должна обеспечить движение по прямой. Ось 3 может быть свободно соединена с пружиной 7 с помощью втулки (кольца или другого подобного элемента), свободно установленной на оси 3, так как ось 3 должна иметь возможность вращения. Возможен вариант конструкции, в котором имеется два щеткодержателя, в прорезях которых расположены зубчатые рейки и два зубчатых колеса, закрепленных на концах оси, а между ними закреплены диски. На фиг. 2 представлен вариант токосъемного устройства, который отличается тем, что вместо зубчатого колеса используется фрикционное колесо (закрепленное на оси 3) с возможностью качения по поверхности прорези стойки под действием рулонной пружины 7, рулонный конец которой свободно соединен с осью 3. Другой конец рулонной пружины 7 закреплен на щеткодержателе 6 таким образом, что образует с поверхностью прорези щеткодержателя 6 угол α, который заключен в диапазоне от 15 до 45^о. В этом варианте может быть использована и цилиндрическая пружина, ослабление нажатия которой по мере изнашивания дисков компенсируется увеличением угла α. Токосъемное устройство работает следующим образом. Диски 2 жестко закрепляются на оси 3, по обе стороны от ее середины, на которой жестко закреплено зубчатое колесо 4 (см.фиг.1). Зубчатое колесо 4 устанавливается на рейке 5, закрепленной на поверхности прорези щеткодержателя 6. Поверхности вырезов дисков 2 при этом прижимаются к поверхности коллектора или контактного кольца 1 под действием рулонной пружины 7. По мере изнашивания дисков 2 ось 3 с закрепленным на ней зубчатым колесом 4 поворачивается и одновременно смещается вдоль рейки 5 по направлению к коллектору или контактному кольцу 1. В результате происходит изнашивание дисков 2 по спирали (как показано на фиг.1,2 пунктирной линией), за счет чего увеличивается их геометрический ресурс. Токосъем осуществляется на оси 3. Вариант, показанный на фиг. 2, работает аналогичным образом, однако зубчатое колесо заменено на фрикционное и нажатие пружины приложено под углом α к поверхности прорези. Геометрический ресурс I щетки со спиральным изнашиванием определяется по формуле I = (R²-R²_o) , где R_o - радиус оставшейся после изнашивания по спирали части диска. Рассмотрим щеточный диск с радиусом R = 40 cм. Если эта щетка работает как дисковая (прототип), то ее геометрический ресурс при ширине контактной зоны b = C = 30 мм и среднем радиусе R_ср = 25 мм определен следующей формулой I_пр= ·2π·R_ср≈ ·6,3·25 = 11,8 мм. Если же этот диск работает как спиральная щетка со спиральным изнашиванием с расстоянием между витками спирали b = 10 мм, С = 26,4 мм, то геометрический ресурс предлагаемого токосъемного устройства I (b = 10 мм) = 0,314 (40²-10²) = 471 мм, т.е. приблизительно в 4 раза выше, чем геометрический ресурс I_пр у прототипа, соответственно срок службы дисковой щетки того же радиуса при почти такой же ширине контактной зоны тоже в 4 раза выше. (56) Авторское свидетельство СССР N 1132317, кл. Н 01 R 39/24, 1984. Авторское свидетельство СССР N 1251218, кл. Н 01 R 39/24, 1984. Авторское свидетельство СССР N 1541696, кл. Н 01 R 39/24, 1988.

Формула изобретения

1. ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, содержащее коллектор или контактное кольцо, щетку, выполненную в виде отделенных друг от друга дисков, расположенных на оси и имеющих вырезы, поверхности которых контактируют с коллектором или контактным кольцом под действием по крайней мере одной нажимной пружины, щеткодержатель, отличающееся тем, что, с целью повышения срока службы за счет изнашивания дисков по спирали, щеткодержатель содержит продольную прорезь прямоугольной формы, выполненную в радиальном направлении, ось с жестко закрепленными на ней дисками снабжена колесом, установленным с возможностью перемещения вдоль прорези в радиальном направлении к коллектору или контактному кольцу под действием нажимной пружины, один конец которой взаимодействует с осью, а другой жестко закреплен на щеткодержателе, причем диаметр колеса d связан с расстоянием между витками спирали b соотношением b=πd 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве колеса взято фрикционное колесо с возможностью перемещения по поверхности прорези щеткодержателя, причем пружина закреплена под углом α к прорези щеткодержателя, где 15^o ≅ α ≅ 45^o . . 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве колеса взято зубчатое колесо, установленное с возможностью перемещения по зубчатой рейке, закрепленной в прорези щеткодержателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---