Коммутация коллекторных машин - Торцовые коллекторы

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

РАЗЛИЧНЫЕ ВОПРОСЫ КОММУТАЦИИ

9-1. ТОРЦОВЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Общие сведения

Как известно, механические факторы оказывают очень большое влияние на коммутацию. Однако несмотря на то, что это положение хотя и не вызывает сомнений, о степени этого влияния существуют значительные разногласия. Одни исследователи считают, что механические факторы являются в числе главных, другие же, что они являются основными, т. е. значительно превалирующими над другими факторами, обусловливающими искрение.
Поэтому исследования, проведенные с целью сравнения коммутации на торцовых и цилиндрических коллекторах, с этой точки зрения представляют известный практический интерес.
В настоящее время цилиндрические коллекторы находят широкое применение и в микромашинах специального назначения. Очень часто у некоторых машин, являющихся в коммутационном отношении весьма напряженными, появляется значительный брак в виде подгаров коллекторов, возникающих вследствие недопустимого искрения. Можно назвать ряд причин этого брака:

1. Допустимый бой коллектора в статическом состоянии составляет 20—30 мк, при вращении он возрастает, так как собственная частота якоря значительно больше частоты вынужденных колебаний, раскачивающих якорь.
2. Несмотря на тщательность и высокую культуру производства при изготовлении цилиндрического коллектора,    допускаемый перепад коллекторных пластин в статическом состоянии, равный нескольким микронам, начинает вырастать при вращении из-за действия температурных и динамических факторов. Так называемая «динамическая деформация» коллектора была хорошо показана в последнее время локационными наблюдениями.
3. Демпфирующие и инерционные свойства токопередающих аппаратов, которые сами по себе противоречивы и изменяются в процессе износа щетки, довольно далеки от совершенства.
4. Зазоры в подшипниках обусловливают колебания, передающиеся к скользящему контакту.
5. Вследствие воздействия со стороны коллектора радиус контактной поверхности щетки становится больше радиуса коллектора, что приводит к образованию клиновидных пространств в скользящем контакте и сокращает период коммутации от 0,2—0,7 его теоретического значения (при этом щетка фактически как бы несет на себе лишний груз). Следствием этого явления будет дугообразование в клиновидных пространствах и взаимный перенос материалов коллектора и щеток, что еще более усилит вибрацию их.

Был разработан ряд мер по борьбе с вышеуказанными недостатками:

1. Применение разрезных щеток и различных комбинаций пружин.
2. Замена радиальных щеткодержателей на реактивные в нереверсивных машинах.
3. Применение торцовых коллекторов.

Как известно, электрические машины с торцовыми коллекторами работают в условиях повышенной вибрации и на ответственных объектах. К числу этих машин относятся возбудители крупных турбогенераторов, автомобильные генераторы и др. Тот факт, что торцовые коллекторы не нашли широкого распространения в ряде электрических машин, объясняется следующими причинами:

1. При скоростях до 3 000 об/мин, слабых электрических нагрузках на коллекторно-щеточный узел и неполном использовании активных материалов цилиндрический коллектор обеспечивает удовлетворительную коммутацию.
2. Внедрение торцовых коллекторов связано с изменением конструкции машин и технологических процессов, что ведет к изготовлению новой оснастки и реконструкции старой.

Проверка коммутации на торцовых коллекторах и сравнение их с цилиндрическими

Для исследования возможностей, заключенных в применении торцовых коллекторов, инж. Л. В. Лобашевский и И. И. Туктаев провели ряд опытов на электрических машинах с тяжелыми условиями коммутации. Цилиндрические коллекторы этих машин были заменены торцовыми коллекторами. Испытания машин показали, что они имеют значительный запас в коммутационном отношении и допускают перегрузки в несколько раз, причем плотность тока под щетками ЭГ8 при этом повышается с 10—16 до 40—70 а/см², а искрение составляет 1 — 1,25 балла.
Результаты этих опытов явились следствием особенностей, которые наблюдались при работе щеток на торцовом коллекторе:

1. Так как коллекторы протачивались в точно отстроенных центрах, аксиальный бой коллектора составлял 1— 2 мк, т. е. в 10—15 раз меньше, чем на цилиндрическом коллекторе, и не было оснований предполагать, что он увеличится в динамическом режиме, так как в машинах существовало соответствующее закрепление подшипников фланцами щитов. Таким образом, динамическое воздействие коллектора на щетку было доведено до минимума.
2. Ввиду того, что действие центробежных сил на коллекторные пластины торцового коллектора происходило в плоскостях, перпендикулярных направлению силы нажатия на щетку, радиальное перемещение их во время вращения не создавало ударной нагрузки на щетку. Следовательно, на опытных машинах щетка работала более спокойно.
3. Щетка скользила по плоской поверхности, и клиновидные пространства в контакте практически отсутствовали, что увеличивало фактическую поверхность непосредственного соприкосновения, а это приводило к тому, что период коммутации не сокращался, обеспечивая переключение секций без усиленного искрения.
4. Улучшилось охлаждение коллекторно-щеточного узла, так как поток воздуха не скользил по поверхности коллектора, а сталкивался с ней.
5. Щетка работала удовлетворительно при пониженном давлении, что снизило силу трения между ней и коллектором и уменьшило потери в скользящем контакте.
6. Спокойная работа щеток на торцовом коллекторе способствовала образованию устойчивой пленки.

Как показала экспериментальная работа Л. В. Лобашевского и И. И. Туктаева, в факторах механической природы при работе щеток на коллекторах заложены исключительно большие возможности для улучшения коммутации, так как при более спокойной работе (торцовые коллекторы) удалось увеличить плотность тока в контакте почти в 4 раза при одновременном уменьшении степени искрения щеток. Работы в этом направлении как теоретические, так и экспериментальные заслуживают большого внимания.