Коллектор с полупроводниковыми элементами

Использование: Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в двигателях постоянного тока малой мощности с высоким напряжением питания. Технический результат: повышение надежности работы двигателя постоянного тока за счет улучшение работы коллектора при скоростях вращения, отличающихся от номинальной. Сущность полезной модели: Каждый конденсатор, соединенный с двумя соседними коллекторными пластинами заменяется двумя последовательно включенными варикапами - полупроводниковыми элементами с переменной емкостью.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в двигателях постоянного тока малой мощности с высоким напряжением питания.

Известен коллектор (патент СССР 89965, кл. H01R 39/06, 1950) электрической машины с изоляцией между пластинами, которая выполнена из материала с большой диэлектрической проницаемостью, например, из титаната бария.

Существенными недостатками данного устройства является недостаточная прочность и монолитность конструкции коллектора и невозможность работы при больших температурах, в связи с тем, что титанат бария - хрупкий керамический материал поликристаллической структуры.

Также известно устройство для подавления радиопомех (патент СССР 1050020, кл. Н01R 39/04, 1983) состоящее из 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.

Существенным недостатком данного устройства является большая сложность 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.

Наиболее близким по техническому содержанию является коллектор электрической машины (патент РФ 2319267, кл. H01R 39/04, 2006), состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной сборочной конструкции коллектора токопроводящих пластин (ламелей) с изолирующими прокладками между ними, снабженный новой системой 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.

Существенным недостатком данного устройства является невозможность нормальной безыскровой работы коллектора в режимах, отличных от штатного.

Задача предлагаемой полезной модели - повышение надежности работы двигателя постоянного тока за счет улучшения работы коллектора при скоростях вращения, отличающихся от номинальной.

Поставленная задача достигается тем, что в коллекторе электрической машины, состоящем из комплекта радиально установленных в изолированной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин с межламельной изоляцией между ними, снабженный системой конденсаторов в количестве, равном количеству коллекторных пластин, согласно полезной модели, конденсаторы выполнены в виде комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов с переменной емкостью, которые установлены в защитные корпуса, выполненные в виде полых алюминиевых стаканов, закрытых с обеих сторон крышками из диэлектрика и размещенные в корпусе коллектора, при этом комплект варикапов установлен обоими выводами в шахматном порядке в полые цилиндрические изогнутые в двух плоскостях проводники в виде трубок и запаян в них, а трубки сплющенными концами припаяны к двум разным сторонам нижней грани одной коллекторной пластины.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведен эскиз коллектора с подключенными варикапами, на фиг.2 приведен поперечный разрез коллектора но линии, проходящей через варикапы, на фиг.3 приведен местный вид комплекта варикапов.

Коллектор с полупроводниковыми элементами содержит n коллекторных пластин 1 (фиг.1). Каждая коллекторная пластина 1, отделенная от соседней пластины межламельной изоляцией 2 (фиг.2), соединена с полыми цилиндрическими изогнутыми в двух плоскостях медными проводниками в виде трубок 3 (фиг.2). В защитный корпус 4 (фиг.3), представляющий из себя полый алюминиевый стакан (закрываемый с обоих сторон крышками 5 (фиг.3) из диэлектрика) вставлены полупроводниковые элементы - комплект варикапов в общем корпусе 6 (фиг.2 и 3). Комплект варикапов в общем корпусе 6 (фиг.2 и 3) обоими выводами вставлен в медные проводники 3 (фиг.2) и запаян в овальных отверстиях 7 (фиг.3) на медных проводниках 3 (фиг.2).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Как известно, коммутация коллекторных машин постоянного тока улучшается при шунтировании межламельных промежутков коллектора емкостями (Сиунов Н.С., Ковылов Б.В. Влияние добавочной емкости на коммутацию тока. «Электромеханика», 1959, 6, стр.34-40;). Наибольшие потери при коммутации возникают, тогда когда щетка отходит от коммутируемой пластины на незначительное расстояние. В этом случае искровой промежуток 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 L контура, перед этим замкнутого накоротко щеткой.

При отсутствии конденсатора С_п 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 2 (фиг.2), 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 тока на корпус двигателя и т.п.

При шунтировании конденсатором С_П индуктивности L ее магнитная энергия уже не вся идет на питание дуги - часть ее в переходном процессе LC-энергообмена забирает конденсатор С_П образовавшегося LС_П-контура. В зависимости от емкости конденсатора С_П 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.

При работе машины в режимах, отличных от стационарного штатного режима, когда скорость вращения коллектора возрастает настолько, что конденсатор с постоянной емкостью не способен запасти всю магнитную энергию, оставшаяся энергия идет на поддержание и развитие дуги. При применении двух противоположно включенных варикапов в качестве конденсатора с переменной емкостью С_ПЕР можно добиться компенсации магнитной энергии в широком диапазоне изменения скорости. Последовательное встречное включение варикапов необходимо, так как варикап является конденсатором только при обратном приложенном к нему напряжении. Компенсация магнитной энергии в широком диапазоне достигается изменением напряжения на варикапе, при этом емкость варикапа изменяется (при увеличении напряжения емкость варикапа уменьшается за счет увеличения длины полупроводникового перехода). Можно подобрать варикап с такой вольт-фарадной характеристикой, чтобы исключить горение дуги при различных частотах вращения. При увеличении скорости вращения коллектора относительно щетки увеличивается скорость изменения тока, поэтому увеличивается ЭДС самоиндукции в цепи горения дуги. При увеличении напряжения на варикапе его емкость уменьшается, соответственно увеличивается ЭДС варикапа. Таким образом, ЭДС варикапа, направленная противоположно ЭДС самоиндукции, компенсирует ЭДС самоиндукции и уменьшает время горения дуги. Кроме того, размеры комплекта варикапов меньше чем размер обычного конденсатора, а емкость, создаваемая варикапов больше чем емкость обычного конденсатора, что особенно актуально в машинах малой мощности. Каждый комплект варикапов должен быть закрыт защитным корпусом 4 (фиг.3), который защищает варикапы при прессовке коллектора, а также эффективно отводит тепловой поток от варикапов.

Итак, в заявляемой полезной модели происходит компенсация магнитной энергии в широком диапазоне скорости вращения коллектора, за счет применения в качестве конденсатора, подключаемого между двумя соседними коллекторными пластинами 1 (фиг.1), комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов 6 (фиг.3), что повышает надежность работы двигателя постоянного тока за счет улучшения работы коллектора при скоростях вращения, отличающихся от номинальной.

Коллектор электрической машины, состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин с межламельной изоляцией между ними, снабженный системой конденсаторов в количестве, равном количеству коллекторных пластин, отличающийся тем, что конденсаторы выполнены в виде комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов с переменной емкостью, которые установлены в защитные корпуса, выполненные в виде полых алюминиевых стаканов, закрытых с обеих сторон крышками из диэлектрика, и размещенные в корпусе коллектора, при этом комплект варикапов установлен обоими выводами в шахматном порядке в полые цилиндрические изогнутые в двух плоскостях проводники в виде трубок и запаян в них, а трубки сплющенными концами припаяны к двум разным сторонам нижней грани одной коллекторной пластины.