RU2735853C2 - Switching device - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical equipment.

SUBSTANCE: invention can be used in commutator electric motor of direct current with improved switching properties. Besides, the technical result is longer service life. Switching device comprises a commutator-switching unit made in the form of cylindrical gear pair of internal engagement, wherein mounted at anchor wheel consists of split in middle part on tooth and insulated spacer of T-shaped section separating tooth and covering its top, half teeth, to which are connected lead sections of machine armature winding, wherein solid gears are made of electrographic or metal-graphite material with possibility of free rotation on axes located near neutral, and have continuous end face contact with terminal fixed terminals.

EFFECT: technical result consists in improvement of reliability of collector and improvement of manufacturability of assembly, by improving switching, increasing inter-breakdown voltage and reducing friction losses in unit.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в коллекторном электрическом двигателе постоянного тока с улучшенными коммутационными свойствами.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in a collector DC electric motor with improved switching properties.

В основе данного предполагаемого изобретения лежит идея улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока изменением принципа передачи тока с вращающегося якоря на неподвижные клеммы, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле (см., например, Тур Б.К. К вопросу коммутации в машинах постоянного тока. //Электричество. 1956. № 11).This alleged invention is based on the idea of improving the commutation of DC collector machines by changing the principle of transferring current from a rotating armature to fixed terminals, increasing the interlaminate voltage and reducing friction losses in the assembly (see, for example, B.K.Tur. To the issue of commutation in machines direct current. // Electricity. 1956. № 11).

Сущность предлагаемого технического решения является очевидной, поскольку введение новых неизвестных ранее конструктивных элементов и технологических операций при изготовлении коллектора нового типа представляет собой неизвестную совокупность признаков с получением дополнительного технического результата и положительного эффекта, а именно улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока изменением принципа передачи тока с вращающегося якоря на неподвижные клеммы, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле (см., например, Тур Б.К. К вопросу коммутации в машинах постоянного тока. «Электричество», 1956, № 11).The essence of the proposed technical solution is obvious, since the introduction of new previously unknown structural elements and technological operations in the manufacture of a new type of collector is an unknown set of features with obtaining an additional technical result and a positive effect, namely, improving the commutation of DC collector machines by changing the principle of transferring current from a rotating anchors on fixed terminals, increasing the interlaminate voltage and reducing frictional losses in the unit (see, for example, BK Tur To the question of commutation in DC machines. "Electricity", 1956, No. 11).

«Уровень техники»"State of the art"

Известна конструкция коммутирующего устройства электрической машины постоянного тока, состоящая из ряда пластин, расположенных по образующим изолированного цилиндра, закрепленного на валу якоря и поочередно подключающее в зоне коммутации смежные пластины к неподвижным клеммам. При этом каждые две противоположно расположенные пластины соединены с двумя противоположными точками якорной обмотки. С пластинами контактируют противоположно установленные соосно щетки, переходящие при вращении якоря с одной пары пластин на другую. Пластины коллектора изолируют от соседних прокладками из фибры или слюды. Концы пластин соединяются с соответственными выходными концами обмотки.The known design of the switching device of a DC electric machine, consisting of a number of plates located along the generatrix of an isolated cylinder, fixed on the armature shaft and alternately connecting adjacent plates in the switching zone to fixed terminals. In this case, every two oppositely located plates are connected to two opposite points of the armature winding. Oppositely coaxially mounted brushes contact the plates, passing from one pair of plates to another when the armature rotates. The collector plates are insulated from adjacent ones with fiber or mica spacers. The ends of the plates are connected to the respective output ends of the winding.

Недостатками пластинчато-щеточного узла являются:The disadvantages of the plate-brush assembly are:

- применение дефицитных материалов при изготовлении;- the use of scarce materials in the manufacture;

- необходимость увеличения габаритных размеров активных частей контакта;- the need to increase the overall dimensions of the active parts of the contact;

- дефекты коллекторного цилиндра такие, как эксцентричность, овальность, бой (в отдельных точках поверхности), прогрессирующие в эксплуатации под действием динамических и электромагнитных сил, а также в результате ослабления затяжки шпилек коллектора и усадки изоляции;- defects of the collector cylinder, such as eccentricity, ovality, breakage (at certain points of the surface), progressing in operation under the influence of dynamic and electromagnetic forces, as well as as a result of loosening of the collector studs tightening and insulation shrinkage;

- износ коллекторов, по причине повышенного давления щеток, некачественный материал элементов, вибрация, биение и высокая скорость вращения коллектора;- wear of the collectors, due to the increased pressure of the brushes, poor-quality material of the elements, vibration, beating and high rotation speed of the collector;

- значительное влияние величины переходного сопротивления между щеткой и коллектором, приводящее к нестабильности токосъема или полной его потере;- significant influence of the magnitude of the contact resistance between the brush and the collector, leading to instability of the current collection or its complete loss;

- искрение на скользящем контакте приводящее к обгоранию щеток и коллекторных пластин.- sparking on sliding contact leading to burning of brushes and collector plates.

- случайный отрыв щеток от коллектора из-за дефектов исполнения узла. Это нарушение может охватывать все пластины коллектора, перекрытые щетками, но не одновременно под всеми брикетами;- accidental separation of the brushes from the collector due to defects in the assembly. This violation can cover all collector plates covered with brushes, but not simultaneously under all briquettes;

- значительное влияние плотности тока под щетками, переходного сопротивления контакта и нарушение коммутации машины.- significant influence of the current density under the brushes, contact resistance and violation of the machine commutation.

Известны также разработки коллекторно-щеточного узла с использованием радиальных поверхностей коллекторных пластин. Причинами, вызывающими появление дуги, переходящей в круговой огонь, являются:Also known are the development of the collector-brush assembly using the radial surfaces of the collector plates. The reasons for the appearance of an arc turning into a circular fire are:

- заволакивание межламельного пространства медью коллекторных пластин [http://www.dissercat.com/content/zavolakivanie-kollektorov-tyagovykh-dvigatelei-elektrovozov];- covering the interlaminate space with copper collector plates [http://www.dissercat.com/content/zavolakivanie-kollektorov-tyagovykh-dvigatelei-elektrovozov];

- неправильно снятые фаски с коллекторных пластин, что затрудняет выдувание щеточной пыли;- incorrectly chamfered from the collector plates, which makes it difficult to blow out brush dust;

- загрязнение коллектора и выступание миканитовых пластин коллектора.- collector contamination and protrusion of mikanite collector plates.

При увеличении межламельного напряжения до 34-36 В (пример для тягового электродвигателя локомотива) и при наличии вышесказанных причин механического характера, между смежными коллекторными пластинами может возникнуть искрение переходящее в дуговой разряд. В зависимости от состояния коллекторно-щеточного узла, его чистоты и влажности воздуха дуга соединяет коллекторные пластины между плюсовыми и минусовыми щеткодержателями или коллекторные пластины всего коллектора (круговой огонь).With an increase in the interlaminate voltage to 34-36 V (an example for a traction motor of a locomotive) and in the presence of the above mechanical reasons, arcing may occur between adjacent collector plates, which turns into an arc discharge. Depending on the state of the collector-brush assembly, its purity and air humidity, the arc connects the collector plates between the plus and minus brush holders or the collector plates of the entire collector (circular fire).

Кроме этих недостатков непосредственно узла низкой надежностью обладает щеточная траверса, повреждения которой проявляются в виде поломки кольца траверсы, расстройства регулировки положения щеткодержателей на пальцах траверсы и другие повреждения деталей узла.In addition to these shortcomings of the unit itself, the brush traverse has low reliability, damage to which manifests itself in the form of a breakdown of the traverse ring, a disorder in adjusting the position of the brush holders on the traverse pins, and other damage to the unit parts.

«Раскрытие изобретения»"Disclosure of invention"

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. Кроме того, техническим результатом является повышение срока службы.The technical result of the invention is to increase the reliability of the collector and improve the manufacturability of the assembly by improving the commutation, increasing the interlaminate stress and reducing friction losses in the assembly. In addition, the technical result is an increase in service life.

Для реализации вышеуказанного технического результата предложено коммутирующее устройство, выполненное с возможностью поочередного подключения в зоне коммутации смежных токопроводящих пластин коллектора через коллекторно-щеточный узел к внешним, неподвижным клеммам, при этом с целью улучшения коммутации, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле, по предполагаемому изобретению коллек-торно-коммутирующий узел представляет собой цилиндрические зубчатые пары, причем установленное на якоре колесо состоит из разрезных в средней части по зубу и изолированных прокладкой Т-образного сечения, разделяющей зуб и прикрывающей его вершину, половин зубьев, образующих зубчатую ячейку, и к которым подключены выводы секций обмотки якоря машины, при этом цельные шестерни, выполнены из электрографитного или металло-графитового материала с возможностью свободного вращения на осях, расположенных вблизи нейтрали и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт с оконечными неподвижными клеммами.To implement the above technical result, a switching device is proposed, made with the possibility of alternately connecting in the switching zone of adjacent conductive collector plates through the collector-brush assembly to external, fixed terminals, while in order to improve switching, increase the interlaminate voltage and reduce friction losses in the assembly, according to the proposed invention, the collector-commutation unit is a cylindrical gear pair, and the wheel mounted on the anchor consists of split teeth in the middle part and insulated with a T-shaped gasket separating the tooth and covering its top, halves of the teeth forming a toothed cell, and to which the terminals of the armature winding sections of the machine are connected, while the one-piece gears are made of electrographite or metal-graphite material with the possibility of free rotation on the axes located near the neutral and have a continuous end sliding contact with the terminal fixed other terminals.

Кроме того, согласно настоящему изобретению для снижения межламель-ных напряжений, возникающих вследствие самоиндукции в секциях якорной обмотки, изоляция между половинами зуба выполнена из материала с высокой диэлектрической проницаемостью с образованием конденсатора искрогасящей RC-цепочки.In addition, according to the present invention, in order to reduce the inter-lamellar stresses arising from self-induction in the armature winding sections, the insulation between the halves of the tooth is made of a material with a high dielectric constant to form an RC spark suppression capacitor.

Идея разрабатывалась в нескольких направлениях. Основные из них:The idea was developed in several directions. The main ones are:

1) Использование в качестве коллекторно-коммутирующего узла цилиндрических зубчатых пар, причем установленное на якоре колесо является принципиально новым коллектором. Зубчатое колесо устанавливается с торцевой, лобовой части якоря, и число впадин между зубьями равно числу секций обмотки. Диаметр зубчатого колеса зависит от числа проводников обмотки и от скорости вращения якоря.1) The use of cylindrical gear pairs as a collector-commutation unit, and the wheel mounted on the armature is a fundamentally new collector. The gear wheel is installed from the end, frontal part of the armature, and the number of cavities between the teeth is equal to the number of winding sections. The diameter of the gear depends on the number of winding conductors and on the speed of rotation of the armature.

2) Для обеспечения существующих габаритов якоря применена зубчатая пара с внутренним зацеплением. Пара внутреннего зацепления имеет во много раз меньшее относительное скольжение рабочих поверхностей зубьев и меньшие габариты при большом передаточном отношении и малом межцентровом расстоянии.2) To ensure the existing dimensions of the anchor, a gear pair with internal gearing is used. The pair of internal engagement has many times less relative sliding of the working surfaces of the teeth and smaller dimensions with a large gear ratio and a small center-to-center distance.

3) Установленное на якоре зубчатое колесо, состоит из разрезных в средней части и изолированных прокладкой Т-образного сечения половин зубьев, образующих зубчатую ячейку, к которым подключены выводы секций обмотки якоря машины.3) The gear wheel mounted on the anchor consists of halves of the teeth split in the middle and insulated with a T-shaped gasket, forming a toothed cell, to which the outputs of the armature winding sections of the machine are connected.

4) С зубчатым колесом контактируют цельные шестерни, выполненные из электрографитного или металлографитового материала. Шестерни свободно вращаются на осях, расположенных вблизи нейтрали и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт с оконечными неподвижными клеммами.4) Solid gears made of electrographite or metallographite material are in contact with the gear wheel. The gears rotate freely on the axes located near the neutral and have a continuous end sliding contact with the terminal fixed terminals.

В качестве коллекторно-коммутирующего узла по предполагаемому изобретению целесообразно применить арочные цилиндрические зубчатые элементы (колеса) с прямозубыми, косозубыми, шевронными или подобными зубьями с использованием внутреннего зацепления (возможно использование наружного зацепления при наличие запаса по габаритным ограничениям электрической машины).It is advisable to use arched cylindrical gear elements (wheels) with spur, helical, chevron or similar teeth as a collector-commutation unit according to the proposed invention using internal gearing (it is possible to use external gearing if there is a margin for the overall limitations of an electric machine).

Стяжка верхней нерабочей части зубчатого коллекторного колеса выполняется методом клина (ласточкиного хвоста).Tightening of the upper non-working part of the toothed collector wheel is performed by the wedge (dovetail) method.

В изобретении раскрываются следующие детали и аналогии:The invention discloses the following details and analogies:

а) шестерни внутреннего зацепления повышенной механической прочности, выполнены из электрографитного или металлографитового материала, а оси шестерен имеют непрерывный скользящий контакт с внешними неподвижными клеммами;a) gears of internal gearing of increased mechanical strength, made of electrographite or metallographite material, and the axes of the gears have continuous sliding contact with external fixed terminals;

б) зубья колеса образуют зубчатую ячейку, состоящую из разрезных половинок смежных зубьев. При этом ячейка соединена с проводником секции обмотки петушком [А.с. СССР № 862285 МКИ Н01R 39/02/ Б.и. 33 от 07.09.81].b) the teeth of the wheel form a toothed cell, consisting of split halves of adjacent teeth. In this case, the cell is connected to the conductor of the winding section by a cock [A. USSR No. 862285 MKI N01R 39/02 / B.i. 33 dated 09/07/81].

в) между зубчатыми ячейками размещена изоляция, выполненная из материала с большой диэлектрической проницаемостью (например, из титаната бария) (Авт. Свид. СССР №89965, кл. Н01r 39/06).c) between the toothed cells there is an insulation made of a material with a high dielectric constant (for example, barium titanate) (Auth. Certificate of the USSR No. 89965, class H01r 39/06).

г) аналогия: d) analogy:

«Краткое описание чертежей»"Brief Description of Drawings"

На Фиг. 1 представлен основной вид коллектора в виде зубчатой пары внутреннего зацепления.FIG. 1 shows the main view of the collector in the form of a gear pair of internal engagement.

На Фиг 2 представлен процесс коммутации при замыкании секции обмотки якоря накоротко.Figure 2 shows the switching process when the armature winding section is short-circuited.

На Фиг. 3 показано распространение дугового разряда в базовом исполнении коллектора. Стрелкой показан путь и длина дугового разряда.FIG. 3 shows the propagation of an arc discharge in a basic collector design. The arrow shows the path and length of the arc discharge.

На Фиг. 4 показано распространение дугового разряда по предлагаемому варианту. Стрелкой показан путь и длина дугового разряда.FIG. 4 shows the propagation of an arc discharge according to the proposed option. The arrow shows the path and length of the arc discharge.

На Фиг. 5 схематично в аксонометрии показаны зубчатая ячейка и изолятор.FIG. 5 is a schematic perspective view of a toothed cell and an insulator.

На Фиг. 6 представлена стяжка зубчатого коллекторного колеса.FIG. 6 shows a collector gear wheel brace.

На Фиг. 7 показан общий вид электромашины с предлагаемым зубчатым коллектором.FIG. 7 shows a general view of an electric machine with the proposed gear manifold.

«Осуществление изобретения»"Implementation of the invention"

Коммутирующее устройство, содержащее коллектор в виде зубчатой пары внутреннего зацепления (см. Фиг. 1) состоит из коллекторного колеса 1 и шестерни 2. Применение внутреннего зацепления обеспечивает размещение всего узла в пределах габарита цилиндра якоря.The switching device containing the collector in the form of a gear pair of internal gearing (see Fig. 1) consists of a collector wheel 1 and gear 2. The use of internal gearing ensures the placement of the entire unit within the dimensions of the armature cylinder.

Зубчатое колесо 1, установленное с торцевой, лобовой части якоря, состоит из зубчатых ячеек в виде разрезных в средней части и изолированных половин зубьев 3 и 4, к которым подключены выводы 5 и 6 секций (Фиг. 2) обмотки якоря машины. При этом число зубчатых ячеек равно количеству впадин между зубьями колеса и равно числу секций обмотки якоря. Диаметр зубчатого колеса зависит от числа проводников обмотки и от скорости вращения якоря. Между зубчатых ячеек установлены изолирующие прокладки 7 Т-образного сечения, выполненные из материала с большой диэлектрической проницаемостью.Gear 1, installed from the end, frontal part of the armature, consists of toothed cells in the form of split teeth in the middle and isolated halves of teeth 3 and 4, to which leads 5 and 6 of sections (Fig. 2) of the armature winding of the machine are connected. In this case, the number of toothed cells is equal to the number of cavities between the teeth of the wheel and is equal to the number of armature winding sections. The diameter of the gear depends on the number of winding conductors and on the speed of rotation of the armature. Insulating spacers 7 of T-shaped cross-section, made of material with high dielectric constant, are installed between the toothed cells.

Одним из вариантов решения проблемы коммутации, является конструктивное удлинение пути для дугового разряда. На Фиг. 3 между коллекторными пластинами 8 расположена изолирующая прокладка 9. Стрелкой показан короткий путь распространения дугового разряда.One of the options for solving the switching problem is constructive lengthening of the arc discharge path. FIG. 3, an insulating gasket 9 is located between the collector plates 8. The arrow shows the short path of the arc discharge.

На Фиг. 4 в варианте изобретения путь и длина дугового разряда между двумя зубчатыми ячейками 3 и 4 зуба через изолирующую прокладку 7 значительно превышают основной вариант исполнения коллектора.FIG. 4, in an embodiment of the invention, the path and length of the arc discharge between the two toothed cells 3 and 4 of the teeth through the insulating gasket 7 significantly exceed the basic embodiment of the collector.

На Фиг 5 показаны в аксонометрии основные элементы: зубчатая ячейка 3 коллекторного колеса и прокладка 7.Figure 5 shows in perspective the main elements: the toothed cell 3 of the collector wheel and the gasket 7.

Стяжка верхней нерабочей части зубчатого коллекторного колеса выполнена методом клина (ласточкиного хвоста) (см. Фиг. 6). Для внутреннего зацепления пары в отличие от аналогов стяжка установлена снаружи зубчатого коллектора. Зубчатая ячейка 3 соединяется с соответственным выходным концом обмотки 10. посредством петушка.The tie of the upper non-working part of the toothed collector wheel is made by the wedge (dovetail) method (see Fig. 6). For the internal engagement of the pair, in contrast to analogues, the tie is installed outside the gear manifold. The toothed cell 3 is connected to the respective output end of the winding 10. by means of a cock.

Общая компоновка зубчатого коллектора с обмотками возбуждения 11 и 12 показана на Фиг. 7.The general arrangement of the gear manifold with field windings 11 and 12 is shown in FIG. 7.

Цельные шестерни 2, выполненные из электрографитного или металло-графитового материала, свободно вращаются на осях, расположенных на нейтрале и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт 13 с оконечными неподвижными клеммами 14.One-piece gears 2, made of electrographite or metal-graphite material, rotate freely on axes located on neutral and have a continuous end sliding contact 13 with terminal fixed terminals 14.

Claims (3)

1. Коммутирующее устройство машины постоянного тока, содержащее коллекторно-коммутирующий узел, отличающееся тем, что коллекторно-коммутирующий узел выполнен в виде цилиндрической зубчатой пары внутреннего зацепления, содержащей коллекторное зубчатое колесо, установленное с торцевой части якоря машины, которое состоит из зубчатых ячеек, образованных из половин разрезанных в средней части зубьев, к которым подключены выводы обмотки якоря, между зубчатыми ячейками установлены изолирующие прокладки Т-образного сечения, а с зубчатым колесом контактируют цельные шестерни, имеющие возможность свободно вращаться на осях, расположенных вблизи нейтрали, и имеющие непрерывный торцевой скользящий контакт с оконечными неподвижными клеммами.1. Switching device of a direct current machine, containing a commutating-commutating unit, characterized in that the commutating-commutating unit is made in the form of a cylindrical gear pair of internal engagement, containing a collector gear wheel installed from the end part of the armature of the machine, which consists of toothed cells formed of the halves of the teeth cut in the middle part, to which the armature winding leads are connected, insulating T-section gaskets are installed between the gear cells, and one-piece gears are in contact with the gear wheel, having the ability to rotate freely on axes located near the neutral, and having a continuous end sliding contact with terminal fixed terminals. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что изолирующие прокладки между половинами зуба выполнены из материала с высокой диэлектрической проницаемостью с образованием конденсатора искрогасящей RC-цепочки.2. The device according to claim 1, characterized in that the insulating gaskets between the halves of the tooth are made of a material with a high dielectric constant with the formation of a capacitor of the spark-suppressing RC-chain. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цельные шестерни выполнены из электрографитного или металлографитного материала.3. The device according to claim 1, characterized in that the one-piece gears are made of electrographite or metallographite material.

Images