Коллектор электрической машины

Изобретение относится к области электромашиностроения. Коллектор электрической машины, состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной сборочной конструкции коллектора токопроводящих пластин (ламелей) с изолирующими прокладками между ними, снабжен новой системой применения электрических конденсаторов. Их количество равно количеству коллекторных пластин, конденсаторы выполнены плоскими прямоугольной формы, каждый из них электрически соединен со смежными коллекторными пластинами. Указанные системы конденсаторов выполнены в виде установленного на якоре кольцевого коллекторного блока с формой тора прямоугольного сечения. Техническим результатом является обеспечение эффективности и надежности работы системы. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается устройства цилиндрического коллектора электрических машин с улучшенными коммутационными свойствами.

В основе данного изобретения - известная идея улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока шунтированием межламельных промежутков коллектора емкостьями (см., например, Тур Б.К. К вопросу коммутации в машинах постоянного тока. «Электричество», 1956, №11, стр.30-33; Сиунов H.C., Ковылов Б.В. Влияние добавочной емкости на коммутацию тока. «Электромеханика», 1959, №6, стр.34-40; и др.).

Эта идея разрабатывается длительное время и в нескольких направлениях. Основные из них;

1) использование на коллекторе системы электрических емкостей (конденсаторов), постоянно шунтирующих межламельные промежутки;

2) применение специальных коммутирующих устройств, поочередно подключающих в зоне коммутации смежные токопроводящие пластины коллектора к внешнему неподвижному конденсатору (Сиунов Н.С., Ковылов Б.В. Опытная настройка коммутации тока. «Электромеханика», 1960, №3, стр.71-74).

Технические решения, характерные для первого направления, образуют три группы:

1а) системы шунтирующих конденсаторов объединяются в конструкциях, закрепленных на коллекторе (якоре) машины, в которых конструктивные элементы собственно коллектора для создания конденсаторной противоискровой защиты не используются;

1б) главные элементы конструкции коллектора - токопроводящие пластины - используются в качестве активных элементов конденсаторов, но без изменений конструктивной схемы коллектора;

1в) шунтирующие конденсаторы устанавливаются на коллекторе с внесением изменений в его каноническую конструкцию.

Исследования в лабораторных условиях действенности системы типа 1а) показали, что ее применение дает максимальный эффект (Сиунов Н.С., Ковылов Б.В. Опытная настройка ... стр.72). Однако разработать закрепленную на коллекторе (якоре) конструкцию, пригодную для практического применения, - пока не удавалось.

В направлении 1б) известны разработки систем двух основных типов:

а) с использованием в качестве активной поверхности конденсаторов межламельных поверхностей коллекторных пластин;

б) то же, с использованием их торцевых поверхностей на свободном торце коллектора.

Первым примером технического решения направления 1б), реализующего общую идею рассматриваемой совокупности изобретений, может служить коллектор, в котором «изоляция между [токопроводящими] пластинами выполнена из материала с большой диэлектрической проницаемостью (например, из титаната бария)" (Авт. свид. СССР №89965, кл. Н01r 39/06).

Но «из материала с большой диэлектрической проницаемостью» - это тоже всего лишь идея, электротехнически правильный лозунг, а не техническое решение. Это не признак изобретения.

Предложение же в качестве примера выполнять изоляцию между токоведущими пластинами коллектора из титаната бария надо рассматривать с учетом того, что коллектор - объект не только электротехнический. Это сложная пространственная механическая конструкция, тяжело нагруженная системой внутренних статических и внешних квазистатических и динамических сил. Она работает при широко (например, для тяговых двигателей электроподвижного состава от -50 до +200°С) изменяющейся температуре активных конструкций машины. При этом конструкция коллектора должна обеспечивать прочность и сохранение формы коллектора (особенно его рабочей поверхности) во всех рабочих и возможных экстремальных режимах электрического, теплового и механического нагружения.

Соблюдение указанных условий предъявляет сложные и очень высокие требования к реологическим свойствам изолирующих элементов коллектора традиционной (сборка на конусах) конструкции - в частности, к межламельной изоляции, нагруженной большими силами арочного распора.

Титанат бария, как механическая среда, близок к фарфору. Это хрупкий керамичесский материал поликристаллической структуры. Его общие электротехнические и механические свойства (см., например, Справочник по электротехническим материалам./Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Гареева. Л., Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1988. Стр.551, пп.2, 6, 7), а также характерные особенности, среди которых, в первую очередь, бросается в глаза потеря диэлектрических свойств при температуре 120°С и выше (см. там же, стр.552, рис.22.2; стр.555, рис.22.3; специально по применению титаната бария в конденсаторах - стр.556, второй абзац второй колонки) жестко исключают возможность применения в коллекторах указанной выше наиболее рациональной - сборной на конусах - и потому почти всегда применяемой конструкции.

Пример технического решения второго типа в группе 1б) - устройство подавления радиопомех и снижения искрения коллекторных электрических машин (Авт. свид. СССР №746790, кл. Н01R 39/04, Н02К 13/14). Устройство разработано применительно к монолитной конструкции цилиндрического коллектора на пластмассе.

Здесь основной элемент - плоское кольцо из диэлектрического материала с наружным диаметром, не превышающим диаметр рабочей поверхности коллектора. Одна из плоскостей кольца металлизирована. Кольцо приклеено к аккуратно проточенной свободной торцевой поверхности коллектора металлизированной поверхностью наружу. Этим образуется конденсаторная система, состоящая из группового электрода - кольцевого металлизированного слоя - и взаимодействующих с ним отдельных, которыми служат торцевые поверхности коллекторных пластин. В результате каждый межламельный промежуток шунтируется электрической цепью, состоящей из двух последовательно соединенных элементарных конденсаторов указанного конструктивного исполнения, чем и достигается, предположительно, запланированное явление искрогашения.

Недостатки данного устройства:

а) чрезвычайно малая площадь обкладок элементарного (двухобкладочного) конденсатора, обусловленная указанной выше общей конструктивной схемой, что даже при применении для диэлектрического кольца конденсаторной керамики с большой диэлектрической проницаемостью не позволяет получить необходимую для эффективного искрогашения емкость (это уже отмечалось разработчиками систем аналогичного назначения - см. далее материалы анализа работ второго направления);

б) в контуре каждого межламельного промежутка последовательно соединены два элементарных конденсатора, что дополнительно уменьшает вдвое эту и без того ничтожную эффективную емкость искрогашения;

в) максимальное рабочее напряжение элементарных конденсаторов при их работе в контуре искрогашения невелико. Однако общий конденсаторный электрод - металлизированный слой диэлектрического кольца - образует связывающую разнополярные щетки электрическую цепь, в которой, как и в межламельном контуре, включены последовательно два элементарных конденсатора.

Но напряжение между разнополярными щетками коллекторных машин даже средней мощности может быть киловольт и более. Следовательно, для исключения междущеточного КЗ по металлизированному слою кольца электрическая прочность его диэлектрической основы должна быть очень большой. Создать такую систему для моторов промышленного назначения практически нельзя;

г) устройство неприменимо при немонолитных коллекторах - сборной (на конусах) конструкции - как исключающее возможность подтяжки конусов при ремонте коллектора с переточкой рабочей поверхности по износу или из-за потери профиля при ослаблении в эксплуатации арочного распора.

Рассмотренное устройство красиво своей предельно возможной простотой. Однако присущие ему перечисленные особенности определяют крайне ограниченную область его вероятного применения. Для работы в электроприводе других областей оно непригодно.

В типичном для группы 1в) техническом решении плоский конденсатор размещается в прямоугольном окне средней (основной) пластины трехслойной пластины-пакета межламельной изоляции (Авт. свид. СССР №274209, кл. Н01r 39/04 - прототип). Выводы конденсатора соединяются с соответствующими коллекторными пластинами прикосновением через отверстия в крайних изоляционных пластинах. Здесь характерно следующее:

а) очень большое усложнение конструкции;

б) крайне жесткое ограничение объема для размещения конденсатора с емкостью, необходимой для того, чтобы это сложное устройство было заметно полезным;

в) практическая невозможность обеспечить одинаковую удельную тангенциальную жесткость на сжатие по всей площади пластины, что определяет неравномерность распределения тангенциальных напряжений в ней от действия сил арочного распора. Этим резко снижается возможность обеспечения стабильной формы активной части коллектора и, в частности, его рабочей поверхности, что, как известно, является одним из важнейших факторов, влияющих на работу коллекторно-щеточного узла как пространственной механической системы и коммутирующего устройства;

г) нагружение перемычки окна в основной (средней в пакете) изолирующей пластине со стороны рабочей поверхности коллектора радиальными центробежными силами инерции масс конденсатора и самой перемычки. В этих условиях ее прочность явно недостаточна, особенно при предельной проточке рабочей поверхности коллектора;

д) ненадежен контакт прикосновением (см. выше) выводов конденсатора с соответствующими коллекторными пластинами;

е) для замены отдельного поврежденного конденсаторного узла необходима разборка всего коллектора.

Перечисленные недостатки данного устройства неустранимы. Поэтому такая конструкция коллектора практического применения, по-видимому, не найдет.

Характерное для второй группы технических решений устройство предложено в изобретении по Авт. свид. СССР №1050020, кл. Н01R 39/04. Оно предназначено для подавления радиопомех, генерируемых коллекторной группой маломощной двухполюсной электрической машины с трехполюсным якорем и торцевым коллектором.

Помехоподавляющее устройство выполнено в виде соосного с коллектором диска («кольца») из диэлектрического материала, на котором в пределах рабочей поверхности коллектора диаметрально закреплены два контактных элемента. Они соединены с конденсатором, также установленным на диске. Диск прижат к рабочей поверхности коллектора аксиально расположенной цилиндрической пружиной, установленной на корпусе щеткодержателя. В диске имеются два прямоугольных отверстия, расположенных также диаметрально, сквозь которые проходят щетки.

Относительное угловое положение указанных диаметров таково, что при вращении якоря контактные элементы диска и щетки оказываются соответственно попарно подключенными к смежным коллекторным пластинам коммутируемой секции обмотки якоря. В результате конденсатор шунтирует искровой промежуток. Этим достигается эффект искрогашения на сбегающем крае щетки, т.е. в значительной степени нейтрализуется источник радиопомех.

Главные недостатки обсуждаемого устройства:

а) большая сложность, как электромеханической системы. Оно, в сущности, - это второй комплекс механической коммутации, который, в отличие от основного, не подает энергию сети в работающий в данный момент контур якоря, а снимает его коммутируемую энергию и передает ее в конденсатор с последующим возвратом и рассеянием на активном сопротивлении обмотки якоря. Конструктивно этот комплекс несоизмеримо менее совершенен, чем щеточно-коллекторный узел. Поэтому структурная надежность системы коммутации машины в целом от такого усложнения значительно снижается;

б) нереверсивность.

Как чисто механическая система устройство имеет ряд важных недостатков:

а) сила нажатия на диск центрально расположенной пружины и две реакции в точках касания поверхности коллектора контактных элементов диска образуют плоскую систему параллельных сил, лежащих в меридиональной плоскости, которая проходит через указанные точки касания. Это силы сжатия. Поэтому геометрически номинальное положение диска неустойчиво. Оно может быть устойчивым лишь при условии, когда положительная жесткость при упругом наклоне опорной (на диске) поверхности пружины больше отрицательной кинематической жесткости при наклоне диска поворотом его относительно оси, проходящей через точки опирания контактных элементов диска на рабочую поверхность коллектора. Однако выполнение этого условия в обсуждаемой конструкции не предусмотрено;

б) угловое (по оси машины) положение диска относительно щеткодержателя (и, следовательно, относительное положение координатных диаметров щеток и контактных элементов диска) здесь определяет связь только через пружину, опорные поверхности которой соответственно зафиксированы с помощью отгибов концов проволоки на ее торцах. Однако обеспечить с необходимой угловой точностью отгиб этих фиксаторов в общепромышленных условиях производства пружин практически нельзя. Кроме этого, торцы цилиндрических пружин при изменении осевой нагрузки относительно проворачиваются. Нагружение диска моментом трения о коллектор контактных элементов диска обусловливает возможность появления его фрикционных крутильных автоколебаний с соответствующими колебаниями относительного положения координатных диаметров щеток и контактных элементов диска. Поэтому рассмотренная конструкция угловой связи диска с щеткодержателем необходимую стабильность и точность исполнения циклограммы включения конденсатора обеспечить не может;

в) траектория движения контактных элементов диска по поверхности коллектора во избежание осевой вибрации должна быть плоской. Для сохранения этого состояния в эксплуатации износостойкость изоляционного материала на расширенных участках пазов между коллекторными пластинами должна быть одинаковой с износостойкостью коллекторных пластин при их работе с контактными элементами диска. В то же время для гарантированного упругого нажатия щеток на рабочую поверхность коллектора пазы между коллекторными пластинами на участках их взаимодействия со щетками должны быть углубленными. С этой целью выполняется продорожка пазов. Возможно также для сборки монолитного коллектора применить изоляционный материал, износостойкость которого при взаимодействии его с рабочей поверхностью щеток меньше, чем у материала коллекторных пластин. Однако указанные неодинаковые требования к изоляции разных участков одного межламельного паза выполнить одновременно практически нельзя;

г) с целью уменьшения перекоса щетки в направляющем канале щеткодержателя и исключения работы щетки на изгиб радиальный зазор между окном выхода из направлящего канала щеткодержателя и опорной для щетки поверхностью коллектора (т.е. консоль щетки) всегда выполняется минимально возможным - с ограничением прежде всего, по потенциальным условиям на коллекторе. В конструкции электрических машин с цилиндрическим колллектором для поддержания в эксплуатации указанного зазора минимальным непременно предусматривается регулировка радиального положения щеткодержателя при сборке машины и переточках коллектора по износу.

В обсуждаемой конструкции этот зазор образуют в сумме три размера:

- высота сжатой пружины;

- толщина диска;

- расстояние диска до опорной поверхности коллектора (высота контактных элементов).

Эта сумма - громадная величина. Она однозначно исключает возможность применения здесь щеткодержателей обычных конструкций и щеток с обычными механическими свойствами. Тем самым и в сочетании с другими недостатками (см. выше) исключается возможность практического применения обсуждаемого устройства в целом.

Приведенный краткий систематизированный анализ известных разработок идеи шунтирования межламельных промежутков коллектора емкостями с целью искрогашения при коммутации показал: результаты этих разработок признать удовлетворительными нельзя, из-за чего известные (и, в частности, рассмотренные выше) устройства и системы указанного назначения практического применения не получили.

Этим определилась задача изобретения - создание простого, надежного и ремонтопригодного устройства коллекторного узла с эффективным предупреждением искрообразования на коллекторе в штатных режимах работы. Одновременно выяснилось: поиск целесообразно вести в направлении использования в коллекторной системе конденсаторов, постоянно шунтирующих межламельные промежутки.

Решение этой задачи в предлагаемом устройстве достигается тем, что коллектор электрической машины, состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной сборочной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин (ламелей) с изолирующими прокладками между ними, снабжен новой системой применения электрических конденсаторов. Их количество равно количеству коллекторных пластин, конденсаторы выполнены плоскими прямоугольной формы, каждый из них электрически соединен со смежными коллекторными пластинами.

Практическая работоспособность и надежность такого коллекторного комплекса обеспечиваются согласно изобретению тем, что указанные системы конденсаторов выполнены в виде установленного на якоре кольцевого коллекторного блока с формой тора прямоугольного сечения. При этом:

а) конденсаторный блок состоит из корпуса, установленного в нем кольцевого пакета расположенных в меридиональных плоскостях конденсаторов, соединенных последовательно в замкнутую кольцевую цепь, и комплекта закрепленных элементов;

б) конденсаторы выполнены с максимальной толщиной, определяемой угловым шагом по коллектору и радиальной координатой их установки, и имеют выводы на средней по толщине линии с одной тонкой стороны;

в) выводы всех конденсаторов расположены на одной торцевой стороне конденсаторного блока;

г) вывод каждого конденсатора, расположенный на меньшем диаметре, соединен перемычкой с расположенным на большем диаметре выводом конденсатора, соседнего в блоке с одной стороны;

д) с соответствующими коллекторными пластинами соединены выводы конденсаторов, расположенные на одном - большем или меньшем - диаметре;

е) конденсаторы изолированы от корпуса конденсаторного блока и друг от друга.

В зависимости от места установки конденсаторного блока на якоре (см. ниже) для его закрепления необходима, как посадочная, какая-либо из цилиндрических поверхностей его профиля:

а) наружная - если конденсаторный блок встраивается во внутреннее пространство конструкции якоря;

б) внутренняя - если конденсаторный блок закрепляется на какой-либо наружной поверхности его конструкции.

В первом случае корпус конденсаторного блока может иметь Г-образный профиль, горизонтальная часть которого выполнена наружной несущей (т.е. работающей, как бандаж), и снабжен комплектом закрепительных элементов, состоящим из нажимной втулки с конической наружной поверхностью, промежуточной тонкостенной манжеты и упругого кольца, выполненного из мягкого неэлектропроводного материала. При этом соединение нажимной втулки с плоской стенкой корпуса может быть выполнено по ее внутреннему контуру на резьбе или фланцевого типа с цилиндрическим центрирующим сопряжением и осевой затяжкой болтами.

Во втором случае для корпуса конденсаторного блока необходимо применение П-образного профиля с его цилиндрическими боковыми стенками, наружная из которых выполнена несущей (см. выше). Корпус снабжен комплектом закрепительных элементов аналогично конструкции с Г-образным профилем. При этом соединение нажимной втулки с внутренней цилиндрической стенкой корпуса конденсаторного блока выполнено на резьбе или указанного для Г-образного профиля фланцевого типа.

Конденсаторный блок с корпусом П-образного профиля компоновочно универсальный - может быть применен при посадочных поверхностях обоих указанных типов а) и б).

Задача рационального размещения на якоре конденсаторного блока предлагаемого коллекторного комплекса как по его общему назначению - улучшения коммутации коллекторной машины, - так и по содержанию поиска, близка к аналогичной задаче размещения уравнительных соединений (см. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. М.-Л., Госэнергоиздат, 1958. Стр.173-177). Опыт их применения весьма большой и в данной работе использован.

Предлагаемое в соответствии с изобретением выполнение системы электрических конденсаторов, шунтирующих с целью улучшения коммутации межламельные промежутки коллектора, в виде установленного на якоре кольцевого конденсаторного блока тороидальной формы, собранного в прочном корпуса, допускает ряд компоновочных вариантов установки. Основные из них:

а) на нажимном конусе колектора;

б) на наружной поверхности петушков;

в) внутри задней нажимной шайбы якоря (под обмоткодержателем).

При установке кнденсаторного блока на наружной поверхности консоли нажимного конуса коллектора (первый вариант) по условиям удобства сборки-разборки машины наружный диаметр конденсаторного блока не должен быть больше наружного диаметра предельно изношенного колектора. Это существенно ограничивает объем для размещения конденсаторного блока достаточной электрической емкости или требует увеличения осевого размера машины..

Вариант может оказаться целесообразным при сборном коллекторе на конусах с осевой затяжкой через пружинное кольцо (см.: Коллекторы электрических машин./Под ред. Б.H.Красовского. М., «Энергия», 1979, стр.10, рис.1-3).

В крупных машинах конденсаторный блок можно установить внутри нажимного конуса коллектора. При этом указанный выше недостаток первого варианта размещения конденсаторного блока снимается.

Второй вариант наиболее удобен для контроля и ремонта. Однако в любом случае наружно диаметр конденсаторного блока D_н (см. далее фиг.7) не должен быть больше диаметра якоря по расточке. Поэтому данный вариант возможен только при значительной разнице диаметров - указанного D_н и посадочного (внутреннего) D_в корпуса конденсаторного блока.

Этим определяется область полезного применения предлагаемого устройства коллектора с конденсаторным блоком по второму варианту: машины небольшой мощности с проволочной (всыпной) обмоткой якоря и небольшим количеством коллекторных пластин в коллекторе (см. выше: а) Алексеев A.Е. Конструкция ... стр.169; рис.5-12 и соответствующий текст стр.169, рис.5-12 и соответствующий текст стр.169; б) Кацман М.М. Электрические машины. М., «Высшая школа», 1990, стр.324, рис.24.4). Масштабы же применения таких машин огромны - от ручного электроинструмента и бытовой техники до сервоприводов летательных аппаратов (см., например, Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии./Под ред. докт. техн. наук, проф. А.И.Бертинова. М., Энергоиздат, 1982, стр.296). В ряде случаев специального применения коллекторных электрических машин малой мощности устранение искрения на коллекторе необходимо не только для улучшения электрофизических процессов коммутации, но, возможно, не менее этого, для устранения радиопомех, генерируемых искрящим коллектором. Поэтому полезность применения здесь предлагаемого устройства может быть большой.

В третьем варианте (см. выше п. в)), который возможен на якорях с общим цилиндрическим слоем активной части обмотки и ее лобовых частей, имеется наибольший из не заполненных активными и конструктивными элементами объем в якоре (см., например, Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины./Под ред. докт. техн. наук В.И.Бочарова и канд. техн. наук В.П.Янова. М., Энергоатомиздат, 1992, стр.259, рис.9.1). Это позволяет без изменения габаритов якоря удобно разместить здесь конденсаторный блок наибольшей электрической емкости. Как показывают конструкторские разработки, аксиальная электрическая связь согласно изобретению конденсаторного блока с коллектором сквозь бочку якоря технических осложнений не вызывает.

Это подтверждает, в частности, опыт решения аналогичной задачи размещения уравнителей третьего рода при их неполном числе (Алексеев А.Е. Конструкция ... стр.175, рис.5-26а). Но для предлагаемой коллекторной композиции эта задача значительно проще, так как токовые нагрузки связей здесь несоизмеримо меньше. Рациональная конструкция - многожильные кабели с общей изоляцией кабеля, соответствующей корпусной, проводниковой - межламельным напряжениям в переходных процессах коммутации.

Был также рассмотрен вариант установки конденсаторного блока на якоре, аналогичный предыдущему, но с коллекторной стороны. Здесь подкупает непосредственная близость к коллектору: конденсаторный блок может быть помещен в тороидальном пространстве под лобовой частью обмотки с коллекторной стороны - если этот объем не занят, как это обычно бывает, уравнительными соединениями.

Вариант сложный. Конденсаторный блок можно установить и подключить к коллектору только на «голом» якоре - без коллектора и до укладки обмотки якоря и ее соединения с коллектором. Компоновка явно неремонтопригодна, так как для доступа к конденсаторному блоку и его электрическому монтажу здесь надо, в сущности, разобрать весь (возможно, вполне исправный) якорь. Поэтому целесообразность применения данного варианта - с учетом возможности иных - обосновать трудно.

Существуют и другие, кроме рассмотренных, варианты размещения конденсаторного блока на якоре. Возможны также комбинации из двух блоков, размешенных в разных местах (с целью, например, уменьшения радиального перекрытия осевого воздушного потока через якорь при установке конденсаторных блоков внутри его несущих конструкций). Целесообразность их применения может быть определена подробными многовариантными разработками конструкции проектируемой электрической машины.

Приведенные краткое описание основных вариантов установки коллекторного конденсаторного блока и их анализ свидетельствуют: компоновочные возможности для практического применения предлагаемого устройства велики.

Это утверждение тем более верно, что распространенное мнение о трудности размещения на якоре «батарей» конденсаторов с числом их по количеству коллекторных пластин возникло, когда основными диэлектриками в конденсаторах промышленного назначения служили парафинированная бумага и слюда. Объем таких конденсаторов велик.

Появление и совершенствование конденсаторной керамики привело к созданию конденсаторов (прежде всего низковольтных - как это и необходимо в данном случае) с очень высокими (по весу и, особенно, объему) удельными параметрами. Резко повышена их теплостойкость, достаточна механическая прочность. Этим в настоящее время создана промышленная основа для применения конденсаторов с характеристиками, необходимыми в системах искрогашения коллекторных двигателей, - с обеспечением эффективной и надежной работы таких систем.

На фиг.1 показан фрагмент конденсаторного блока коллектора - вид с торца с частичным сечением по плоскости ББ фиг.3 и аналогичным сечением по плоскости ВВ фиг.5 (см. ниже);

на фиг.2 - то же, что и на фиг.1, с изображением в сечении положения дополнительной межкорпусной изоляции конденсаторов;

на фиг.3 приведен поперечный разрез конденсаторного блока по плоскости АА фиг.1 с вариантом Г-образного поперечного сечения корпуса конденсаторного блока и резьбового соединения с ним нажимной втулки;

на фиг.4 изображен в увеличенном масштабе фланцевый вариант узла (выделен на фиг.3 римской цифрой I) соединения корпуса конденсаторного блока и нажимной втулки;

на фиг.5 приведен поперечный разрез конденсаторного блока по плоскости АА фиг.1 с вариантом П-образного поперечного сечения корпуса конденсаторного блока и резьбового соединения с ним нажимной втулки;

на фиг.6 изображен в увеличенном масштабе фланцевый вариант узла (выделен на фиг.5 римской цифрой II) соединения нажимной втулки с корпусом конденсаторного блока;

на фиг.7 приведен пример монтажной схемы предлагаемого колектора - вариант установки конденсаторного блока на наружной цилиндрической поверхности петушков; здесь D_к - диаметр рабочей поверхности коллектора;

на фиг.8 изображена электрическая схема якоря машины с коллектором, снабженным согласно изобретению противоискровой конденсаторной шунтировкой межламельных цепей обмотки якоря (фрагмент); здесь обозначено: e₁ - искровой промежуток набегающего края щетки (заштрихована), е₂ - то же, сбегающего; КБ - конденсаторный блок; К - коллектор; ОЯ - обмотка якоря; стрелкой V показано направление движения рабочей поверхности коллектора.

Основу предлагаемого коллекторного комплекса электрической машины составляет система электрических конденсаторов 1 (фиг.1), выполненная в виде установленного на якоре кольцевого конденсаторного блока с формой тора прямоугольного профиля. Конденсаторный блок состоит из корпуса 2 (фиг.2), установленного в нем кольцевого пакета расположенных в меридиональных плоскостях конденсаторов 1, соединенных последовательно межконденсаторными перемычками 3 в замкнутую кольцевую электрическую цепь, - и комплекта закрепительных элементов.

Конденсаторы 1 изолированы от корпуса конденсаторного блока 2:

а) наружным изолирующим кольцом 4; для тангенциальной фиксации конденсаторов 1 в корпусе конденсаторного блока 2 кольцо 4 может иметь выступы 5 (фиг.2), между которыми размещены конденсаторы 1;

б) торцевым изолирующим кольцом 6 (см. далее фиг.3-6);

в) выполненным из неэлектропроводного материала упругим кольцом 7 закрепительного комплекта.

Друг от друга конденсаторы 1 изолированы прокладками 8 (фиг.2).

Конденсаторы 1 выполнены плоскими прямоугольной формы с максимальной толщиной t (фиг.1), определяемой угловым шагом по коллектору и радиальной координатой их установки. Каждый конденсатор 1 имеет два вывода 9 и 10 на средней по толщине t линии с одной тонкой стороны. При этом выводы 9 и 10 всех конденсаторов 1 расположены на одной (лицевой) стороне 11 конденсаторного блока (фиг. 5). Вывод 9 каждого конденсатора 1, расположенный на меньшем диаметре d₁ (см. далее фиг.5 и 7), соединен перемычкой 3 с расположенным на большем диаметре d₂ выводом 10 конденсатора, соседнего в блоке с одной стороны (фиг.1, 2 и 7).

С соответствующими коллекторными пластинами 12 соединены выводы 9 или 10 конденсаторов 1, расположенные на одном - меньшем d₁ или большем d₂ - диаметре. Указанные соединения 13 могут быть выполнены легкодоступными и - в случае с выводами 9 конденсаторов 1 на диаметре d₁ - предельно короткими при установке, например, коллекторного блока на наружной поверхности 14 петушков 15 коллекторных пластин 12 (фиг.7).

Монолитность и механическую прочность конструкции конденсаторного блока обеспечивает корпус 2, который в зависимости от места установки блока на якоре может иметь два основных исполнения:

а) с Г-образным профилем 16, горизонтальная часть которого выполнена наружной несущей (фиг.3 и 4) - если конденсаторный блок встраивается во внутреннем пространстве конструкции якоря;

б) с П-образным профилем 17 с цилиндрическими боковыми стенками, наружная из которых выполнена несущей (фиг.5 и 6) - если конденсаторный блок закрепляется на какой-либо наружной поверхности на якоре или по схеме а).

В обоих указанных вариантах корпуса 2 с профилями 16 и 17 конденсаторный блок снабжен комплектом закрепительных элементов, состоящим из нажимной втулки 18 (для Г-образного профиля 16 корпуса 2) с конической наружной поверхностью 19, тонкостенной манжеты 20 и упругого кольца 7 (см. выше). Упругая тонкостенная манжета 20 обеспечивает равномерное радиальное нажатие на закрепительные боковые поверхности 21 конденсаторов 1 при деформации упругого кольца 7 во время затяжки нажимной втулки 18 и при необходимости выполняется разрезной.

При П-образном профиле 17 корпуса 2 нажимная втулка 22 соединяется с корпусом конденсаторного блока на его лицевой (т.е. с выводами 9 и 10 конденсаторов 1) стороне 11 (фиг.5 и 6) - в отличие от соединения на задней стороне конденсаторного блока нажимной втулки 18 с корпусом 2 при его Г-образном профиле (фиг.3 и 4).

Соединение нажимных втулок 18 и 22 с корпусом 2 конденсаторного блока обоих профилей 16 и 17 может быть выполнено на резьбе (фиг.3 и 5) или фланцевого типа (фиг.4 и 6) с затяжными болтами 23 и цилиндрическим центрирующим сопряжением 24. Конструктивно оба эти вида соединения приблизительно равноценны. Выбор какого-либо из них определяют общая конструкция проектируемой машины и технологические возможности производства.

Содержание работы предлагаемого устройства определяется особенностями выполнения функций системами:

а) несущей конструкции (корпуса 2) его главного элемента - конденсаторного блока;

б) электротехнической системы, состоящей из обмотки якоря, щеточно-коллекторного аппарата и кольцевого пакета конденсаторов 1 коллекторного блока.

А. Ответственнейшая конструкция коллекторного конденсаторного блока - его корпус 2 - нагружена тремя основными системами сил:

1) статических радиальных сил распора при затяжке нажимной втулки 18;

2) квазистатических центробежных сил инерции самого корпуса 2 конденсаторного блока, пакета установленных в нем конденсаторов 1, изолирующих колец 4 и 6 и закрепительных элементов - нажимной втулки 18 и вспомогательных к ней элементов: упругого кольца 7 и тонкостенной манжеты 20;

3) динамических сил инерции масс, скрепленных с корпусом деталей, среди которых основная - окружная касательная сила, как следствие крутильных колебаний и, в особенности, угловых ускорений вращения якоря при импульсных динамических переходных процессах в приводе. Например, в тяговом приводе это часто повторяющийся динамический процесс срыва сцепления в начале боксования и, в особенности, при выходе из него с подачей песка в зону контакта колеса и рельса. В общеэнергетических системах еще более тяжелые переходные процессы возникают при КЗ в силовых цепях, когда динамические моменты могут превышать номинальные статические во много раз (Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М., Изд. иностр. лит., 1955, стр.156-157).

Несмотря на сложность указанной общей системы сил нагружения корпуса 2 коллекторного конденсаторного блока - она не вызывает затруднений для конструктивно-технологического обеспечения и расчетной, и экспериментальной оценки его прочности. Такие схемы характерны для многих широко применяемых в электрических машинах конструкций. В частности, в аналогичных условиях работают монолитные бандажи непосредственного бандажирования коллекторов крупных электрических машин (см. выше: Коллекторы электрических машин... Стр.12, рис.1-4), бандажи лобовых частей обмотки роторов турбогенераторов (Титов В.В. и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Л., «Энергия» (Ленингр. отд.), 1967. Стр.231-238 и 331-344) и др. Методики их расчета отработаны и многократно проверены в эксплуатации. Это дает возможность создать реальную конструкцию предлагаемого коллекторного конденсаторного блока как надежно работающую механическую систему.

Б. Электротехническая система предлагаемого устройства работает по известному принципу: циклического восприятия конденсатором 1 элементарного LC-контура энергии магнитного поля коммутируемой обмотки якоря (секции) электрической машины с возвратом ее в этот контур в виде электрической энергии после окончания коммутации и рассеянием на общем активном сопротивлении цепи в виде тепловой энергии.

При относительном движении коллектора и щетки работающей машины процесс механической коммутации на коллекторе возникает дважды (фиг.8):

а) на набегающем крае петли;

б) на сбегающем крае.

В первом случае дуга появляется в искровом промежутке e₁ при разности потенциалов на индуктивности секции обмотки L₁ (т.е. между набегающим краем щетки и приближающейся к нему кромкой коллекторной пластины), превышающей уровень, необходимый для электрического пробоя. В обычной атмосфере при отработанных практикой значениях межламельных напряжений искровой промежуток e₁ невелик. Возникающая на нем дуга при отсутствии конденсатора C₁ быстро прекращается КЗ по щетке; в ней же гасится и энергия экстратока замыкания. Поэтому роль шунтирования этого процесса в L₁C₁-контуре конденсатором C₁ незначительна.

Во втором случае искровой промежуток е₂ появляется при потере касания сбегающего края щетки и уходящей из-под нее кромки коллекторной пластины. В нем начинает гореть дуга, питаемая энергией магнитного поля индуктивности L₂ контура, перед этим замкнутого накоротко щеткой.

При отсутствии конденсатора С₂ почти вся эта энергия идет на поддержание и развитие дуги. Ее длина определяется потенциальными и кинематическими условиями работы коллектора. В штатных режимах она не должна превышать толщину межламельной изоляции, хотя и при таких условиях дуга способствует ускоренному износу по электроэнергии и щеток, и, главное, рабочей поверхности коллектора. В нештатных режимах переходных процессов общего внезапного повышения межламельного напряжения дуга может неограниченно развиваться до возникновения тяжелых аварийных ситуаций - кругового огня по коллектору, переброса на корпус двигателя и т.п.

При шунтировании конденсатором С₂ индуктивности L₂ ее магнитная энергия уже не вся идет на питание дуги - часть ее в переходном процессе LC-энергообмена забирает конденсатор С₂ образовавшегося L₂С₂-контура. В зависимости от емкости конденсатора С₂ указанная часть коммутируемой энергии может быть большой. Этим достигается эффект интенсивного искрогашения на сбегающем крае щетки в стационарных штатных режимах работы машины и предупреждение опасного развития дуговых процессов на коллекторе в переходных нештатных.

Для работы предлагаемого устройства, как электромеханической системы в целом, характерны следующие полезные особенности:

а) по электрической схеме и компоновке конструктивных элементов система полярно-симметрична; это обеспечивает ее реверсивность и отсутствие внутренних динамических возмущений небалансными центробежными силами;

б) активная часть каждого конденсатора 1 имеет двойную механическую защиту: корпусом самого конденсатора и - особенно надежно - их общего пакета корпусом 2 конденсаторного блока. Поэтому здесь можно применить конденсаторную керамику с ограниченной механической прочностью, но с очень высокими значениями диэлектрической проницаемости и, как следствие, большой емкостью конденсаторов в ограниченных объемах;

в) соединение согласно изобретению всех конденсаторов 1 предлагаемого устройства последовательно в замкнутую кольцевую цепь определяет пробивное напряжение участков этой цепи между разнополярными щетками, значительно превышающее соответствующую разность потенциалов даже крупных машин; этим исключается основная конструктивная причина возможного пробоя изоляции конденсаторов 1, так как межламельные напряжения, как правило, малы и поэтому непосредственно для пробоя изоляции конденсаторов 1 не являются лимитирующими.

Пиковые значения коммутационных перенапряжений у крупных машин, работающих в нормальных условиях, при нешунтированных емкостями коллекторах находятся в пределах 150-170 В (Синельников Е.М. К вопросу о коммутации машин постоянного тока. «Электричество», 1952, №5, стр.24-29). Параметрически соответствующее конденсаторное шунтирование коллекторов машин постоянного тока уменьшает коммутационные перенапряжения в несколько раз (Сиунов Н.С., Ковылов Б.В. Опытная настройка ... (см. выше), стр.72, рис.3). Поэтому, например, в тяговых электрических машинах они могут быть доведены до уровня, не превышающего максимальные расчетные значения межламельных напряжений (Проектирование тяговых электрических машин./Под ред. проф. М.Д.Находкина. М., «Транспорт», 1976, стр.33-34).

Ориентировочные расчеты показывают: применение предлагаемого устройства конденсаторного шунтирования коллекторов электрических машин постоянного тока совместно с низкоопущенными катушками дополнительных полюсов (их роль см., например, Бочаров В.И. и др. Тяговые электродвигатели электровозов. Новочеркасск, Агенство Наутилус, 1998, стр.144) позволит исключить из конструкции тяговых двигателей компенсационную обмотку. Ее конструктивные, технологические и, особенно, эксплуатационные (низкая надежность) недостатки известны и очень велики,

Парк эксплуатируемых тяговых двигателей с компенсационной обмоткой составляет десятки тысяч машин. Этим определяется масштаб одной из составляющих положительного эффекта при неизбежном обновлении парка тяговых машин на предлагаемой основе.

Объединение всей электромеханической системы предлагаемого устройства в едином прочном корпусе 2 при рациональном выборе места установки коллекторного конденсаторного блока (см. выше) определяет простоту его монтажно-демонтажных работ. Столь же просты замена в конденсаторном блоке любого вышедшего из строя конденсатора 1 и восстановление, при необходимости, электрического монтажа. Эти свойства обеспечивают высокую ремонтопригодность заявляемого устройства.

В сочетании с другими указанными ранее полезными качествами и, в особенности, эффективным искрогашением на коллекторе - это образует систему положительных оценок, благодаря которым данное предложенное устройство найдет со временем самое широкое применение.

1. Коллектор электрической машины, состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин с изоляционными прокладками между ними, снабженный системой электрических конденсаторов в количестве, равном количеству коллекторных пластин, причем конденсаторы выполнены плоскими прямоугольной формы и каждый из них соединен со смежными коллекторными пластинами, отличающийся тем, что система конденсаторов выполнена в виде установленного на якоре кольцевого конденсаторного блока с формой тора прямоугольного профиля; конденсаторный блок состоит из корпуса, установленного в нем кольцевого пакета расположенных в меридиональных плоскостях конденсаторов, соединенных последовательно в замкнутую кольцевую щель, и комплекта закрепительных элементов; конденсаторы выполнены с максимальной толщиной, определяемой угловым шагом по коллектору и радиальной координатой их установки, - и имеют выводы на средней по толщине линии с одной тонкой стороны; при этом выводы всех конденсаторов расположены на одной торцевой стороне конденсаторного блока, вывод каждого конденсатора, расположенный на меньшем диаметре, соединен перемычкой с расположенным на большем диаметре выводом конденсатора, соседнего в блоке с одной стороны; с соответствующими коллекторными пластинами соединены выводы конденсаторов, расположенные на одном - большем или меньшем - диаметре; конденсаторы изолированы от корпуса конденсаторного блока и друг от друга.

2. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что корпус конденсаторного блока имеет Г-образный профиль, горизонтальная часть которого выполнена наружной несущей, и снабжен комплектом закрепительных элементов, состоящим из нажимной втулки с конической наружной поверхностью, промежуточной тонкостенной манжеты и упругого кольца, выполненного из мягкого неэлектропроводного материала, причем нажимная втулка соединена с плоской стенкой корпуса по ее внутреннему контуру на резьбе.

3. Коллектор по п.2, отличающийся тем, что соединение нажимной втулки с плоской стенкой корпуса конденсаторного блока выполнено фланцевого типа с цилиндрическим центрирующим сопряжением и осевой затяжкой болтами.

4. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что корпус конденсаторного блока имеет П-образный профиль с цилиндрическими боковыми стенками, наружная из которых выполнена несущей, и снабжен комплектом закрепительных элементов, состоящим из нажимной втулки с конической наружной поверхностью, промежуточной тонкостенной манжеты и упругого кольца, выполненного из мягкого неэлектропроводного материала, причем нажимная втулка соединена с внутренней цилиндрической стенкой корпуса на резьбе.

5. Коллектор по п.4, отличающийся тем, что соединение нажимной втулки с внутренней цилиндрической стенкой корпуса конденсаторного блока выполнено фланцевого типа с цилиндрическим центрирующим сопряжением и осевой затяжкой болтами.

6. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что конденсаторный блок установлен на нажимном конусе коллектора.

7. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что конденсаторный блок установлен на наружной поверхности петушков.

8. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что конденсаторный блок установлен на задней нажимной шайбе якоря.