Распределение тока между параллельно работающими щетками.
Важную роль здесь играет канализация тока внутри УТ: равенство сопротивлений токоведущих цепей от зажимов ЭМ до щетки, в том числе низкие и стабильные переходные сопротивления в местах крепления шин друг к другу, наконечников щеточных токоподводов (канатиков), крепление токоподвода к щетке и т. п.
Следует иметь в виду, что контактные сопротивления щетка—коллектор из-за отрицательного температурного сопротивления графита при нагреве уменьшаются. Поэтому при случайном увеличении тока через щетку и повышении ее температуры начинается неустойчивый процесс (термическая неустойчивость) постепенного увеличения тока через щетку и разгрузки параллельно работающих щеток, вплоть до выхода ее из строя. Процесс повторяется со следующей наиболее нагруженной щеткой, и так до выхода из строя всего УТ.
Для исключения термической неустойчивости система токоподвода должна иметь не только равные и стабильные сопротивления параллельных цепей, но и определенное минимальное сопротивление, стабилизирующее токораспределение (падение напряжения в токоподводах при номинальном токе примерно 0,3—0,7 переходного падения напряжения под щетками).
Система шин должна быть симметричной, причем для электрических машин с большими токами прокладка шин должна быть бифилярной, для того чтобы обеспечивать малое влияние МДС шин на магнитное поле в зазоре.
Щетки на КК желательно располагать попарно по диаметру, что несколько снижает влияние "оборотной" вибрации.
Система изоляции элементов узлов токосъема.
В ней должна быть исключена возможность прохождения тока между обоймой щеткодержателя и щеткой при увеличении сопротивления заделки токоподвода в тело щетки или в место крепления наконечника. Термическое действие таких "блуждающих" токов неоднократно было причиной аварии УТ. Для исключения этого явления обойма щеткодержателя должна быть изолирована от системы токоподвода. Чтобы предупредить прохождение тока через пружину щеткодержателя, его нажимной палец должен быть изолирован от щетки, а в случаях, когда применяются щетки без токоподвода и ток подводится через контактную накладку нажимного пальца, должен быть предусмотрен гибкий шунт большого сечения, исключающий прохождение тока через конструкцию щеткодержателя.
Расширение зоны устойчивого контактирования.
Существенные успехи достигнуты здесь за счет применения разрезных щеток, т. е. щеток, разделенных по ширине на две (и более) узкие щетки, имеющие возможность самостоятельного радиального перемещения в щеткодержателе под действием упругой демпфирующей прокладки. При такой конструкции щеток образуются два (и более) набегающих края, что расширяет ЗНК. Кроме того, при этом уменьшается значение eR, действующей между краями щеток:
В практике известно много примеров, когда применение разрезных сдвоенных щеток позволяло обеспечить удовлетворительную коммутацию крупных и быстроходных электрических машин постоянного тока. Следует иметь в виду, что в некоторых случаях применение более узких щеток с уменьшенным значением β ухудшает механические условия работы щеток. Применение большего числа параллельно работающих щеток ужесточает требования к системе токораспределения. Щеточные токоподводы каждой половины щетки должны иметь по возможности большие сечения. Минимально возможная ширина половины щетки примерно 5 мм.
Следует упомянуть также о возможности применения составных щеток, у которых набегающая половина (нереверсивные ЭМ) имеет низкое переходное падение, а сбегающая — высокое, что позволяет улучшить коммутацию без увеличения электрических потерь под щеткой.
Значительные успехи достигнуты за последнее время в создании и применении волокнистых щеток [6.6], представляющих собой пакет упругих проводящих волокон, например угольных, объединенных в общей головке, к которой подводится ток. Такой пакет создает многоточечный контакт с большой суммарной площадью, что позволяет поднять среднюю плотность тока под щеткой на порядок и более.
Щеткодержатели.
Динамика движения щетки. Щеткодержатели (ЩД) должны обеспечивать постоянство силы давления на щетки и направления действия этой силы при уменьшении высоты щетки (ее срабатывания). Трение между щеткой и обоймой ЩД и в шарнирах ЩД должно быть минимальным.
Рис. 6.3. Силы, вызывающие тангенциальную вибрацию щеток
Размеры окна радиального ЩД должны соответствовать документации. При больших зазорах между щеткой и ЩД сила трения между щеткой и коллектором опрокидывает щетку на набегающий край, что способствует западанию его в дорожки и возбуждению сильных поворотных и тангенциальных колебаний щетки с коллекторной частотой /к = Ал/60.
Механизм таких колебаний, которые могут сопровождаться сильным шумом высокого тона и вибрацией, виден из рис. 6.3. Сила трения Рт>щ опрокидывает щетку на набегающий край и прижимает ее к обойме ЩД, что вызывает силу реакции ЩД Ру,щ и упругую деформацию щетки. Плотность тока на набегающем краю при этом увеличивается и сила трения падает. Сила упругости щетки и давление нажимного пальца Рн поворачивает щетку в обратном направлении, что уменьшает плотность тока на набегающем краю и увеличивает силу трения, после чего процесс повторяется. Аналогичный процесс возникает на продороженном коллекторе за счет изменения силы трения при прохождении набегающего края щетки через дорожку. Боковая поверхность щетки при этом сильно изнашивается. Разумеется, имеются в виду весьма малые перемещения и сжатия щетки. Собственная частота таких колебаний щетки может быть того же порядка, что и частота возбуждающей силы или кратная ей, что способствует возбуждению сильных колебаний щетки.
Причиной таких колебаний, кроме чисто механических факторов (плохо выполненная продорожка, большой зазор между щеткой и обоймой ЩД и т. п.), может быть плохое качество материала щетки (для одной и той же марки), связанное с отклонениями в технологии ее изготовления (неоднородностью структуры, повышенной зольностью и т. п.), в результате чего щетка имеет повышенный и нестабильный коэффициент трения.
У нереверсивных электрических машин более устойчивое контактирование может быть достигнуто с помощью реактивных ЩД.
Что касается динамических свойств ЩД, то их не следует переоценивать. Обеспечить работоспособность УТ при несовершенной поверхности коллектора за счет динамических свойств системы щетка—ЩД нельзя. Ускорение щетки может создаваться только за счет уменьшения давления щетки на коллектор, вплоть до его исчезновения при отрыве щетки, когда усилие пружины ЩД сообщает щетке максимальное ускорение в направлении к коллектору.
Если предположить, что отклонение поверхности коллектора от цилиндрической формы имеет характер синусоиды с числом полуволн 2т и с углом ац - 360/2т каждая, где 2т =2 (биение), 2т = 3 и 2т =4 (эллипс) и т. д. вплоть до значения 2т - К (дефект "коллекторная ступень"), то можно подсчитать амплитудное значение отклонения радиуса коллектора ΔRк,м такой синусоиды (от цилиндра), соответствующее отрыву щетки.
Результаты расчета для удельного давления пружины щеткодержателя на щетку 200 г/см2 и массы щетки 20 г приведены в табл. 6.1.
Из табл. 6.1 видны сильное влияние ац на AΔRк,м и недопустимость коллекторной ступени. Приведенный выше Приближенный расчет не учитывает упругость щеточного материала, улучшающую контактирование при небольших (доли микрометра) коллекторных ступенях.
Хотя ΔRк,м = р, повышение удельного давления сопряжено с увеличением потерь и износа щеток и не может рассматриваться как средство компенсации несовершенной поверхности коллектора. Чем выше динамические свойства ЩД, тем больше показатель "крутизна дефекта" ΔRк,м/α2, при котором еще возможна удовлетворительная коммутация.
Динамические свойства щеткодержателей характеризуются собственной частотой системы щетка—ЩД, которую желательно иметь по возможности высокой. Этому, однако, препятствует требование постоянства давления на щетку при ее срабатывании, что заставляет выбирать пружины с малой жесткостью, но с большим предварительным сжатием, превышающим допустимый износ щетки в 4—5 раз. Собственная частота системы щетка—ЩД имеет обычно порядок десятков герц [6.7].
Таблица 6.1
Для улучшения динамических свойств ЩД применяется система с двумя пружинами, из которых одна (мягкая) действует на нажимной механизм и компенсирует износ щетки, а вторая (жесткая) между нажимным пальцем и щеткой способствует ее малым перемещениям с более высокой частотой, что в значительной мере компенсирует отрицательное влияние инерции нажимного механизма.
Хорошими динамическими свойствами обладают ЩД с рулонной пружиной, упругость желобчатого поперечного сечения которой не зависит от высоты (износа) щетки.
Рис. 6.4. Схема для сравнительной оценки динамических свойств щеткодержателей
Оценка динамических свойств ШП может быть выполнена либо путем установки двух ЩД на специальный КЗ коллектор, либо на ЭМ, для которой они предназначены. ЩД изолируются друг от друга, и через щетки и коллектор пропускается ток от аккумулятора (рис. 6.4). Оценка динамических свойств проводится по отношению переменной составляющей тока , измеренной с помощью чувствительного электронного вольтметра (ЭВ) или электронно-лучевым осциллографом (ЭО) на безындукционном шунте, к постоянной составляющей тока //„ . Такая оценка дается как относительная для различных конструкций ЩД, частот вращения, марок щеток и т. д. Для хороших конструкций ЩД /со//= «2-4% (об испытаниях ЩД см. в СТСЭВ 1377-78).
