Ранее освещались методы обеспечения нормальной работы скользящего контакта электрических машин, используемых в различных отраслях промышленности и на транспорте. Приведенные рекомендации сформулированы на основе обобщения опыта эксплуатации электрооборудования в соответствующих условиях, и они могут быть перенесены на случаи использования машин с аналогичными режимами работы и условиями применения. Здесь отступим от ранее использованной схемы рассмотрения способов обеспечения работы узла токосъема электрических машин, применяемых в отдельных отраслях промышленности, и решим эту задачу по отношению к одному классу машин, применяемых в ряде отраслей народного хозяйства. Имеется в виду чрезвычайно обширный и многообразный класс коллекторных электрических машин переменного тока мощностью от долей киловатта до нескольких сот киловатт, а в последнее время до 1 500—2 000 киловатт [Л. 9-19]. В рассматриваемый класс машин входят: универсальные однофазные двигатели последовательного возбуждения; репульсионные двигатели с двумя обмотками на статоре; репульсионные двигатели с одной обмоткой на статоре и одним комплектом электрощеток (двигатели Томпсона); репульсионные двигатели с одной обмоткой на статоре и двумя комплектами электрощеток (двигатели Дери); трехфазные шунтовые двигатели с двойным комплектом электрощеток (двигатели Шраге — Рихтера); трехфазные коллекторные двигатели последовательного возбуждения; трехфазные компенсированные двигатели; фазокомпенсаторы; каскадные соединения асинхронных и коллекторных машин (каскады Кремера, Шербиуса); многофазные коллекторные генераторы.
Целесообразность применения коллекторных машин переменного тока определяется возможностью осуществления широкого, плавного и экономичного регулирования частоты вращения при постоянной частоте питающей сети (при работе их двигателями) и возможностью получения напряжения регулируемой частоты при постоянной частоте вращения (при работе их генераторами).
Β конструктивном отношении коллекторные машины переменного тока оказываются несколько более сложными, чем машины других типов. Усложнения касаются магнитных систем, статорных и роторных обмоток и щеточно-коллекторного узла. Для того чтобы между краями электрощеток не возникало значительных напряжений, их приходится делать сравнительно узкими, так чтобы перекрытие коллекторных пластин составляло 1,5—1,8. Подобное обстоятельство приводит к увеличению числа устанавливаемых на машине электрощеток. Кроме того, в некоторых типах машин приходится создавать устройства для изменения положения электрощеток на коллекторе. Перечисленные обстоятельства в течение длительного периода тормозили распространение машин рассматриваемого класса. Однако в последнее десятилетие, благодаря проработке теоретических основ их действия и обобщению опыта эксплуатации, наметилась тенденция к более широкому распространению этих машин в промышленности [Л. 9-19]. Соответственно большой практический интерес приобретают вопросы подбора для них электрощеток.
Из теории работы коллекторных машин переменного тока известно, что в замкнутых электрощетками секциях якоря возникают трансформаторные э. д. с., создаваемые пульсирующим полем машины и круговым вращающимся полем. Возникновение названных э. д. с., накладывающихся на э. д. с., свойственные обычным машинам постоянного тока, существенно осложняет протекание коммутационного процесса машин переменного тока, и для обеспечения их нормальной работы создаются специальные электрощеточные материалы. Перечень подобных материалов и рекомендаций по их использованию изложены в табл. 9-41.
Таблица 9-41
Характеристики электрощеточных материалов, предназначенных для использования на коллекторных машинах переменного тока
Продолжение табл. 9-41
Продолжение табл. 9-41
П родолжение табл. 9-41
Πродолженае табл. 9-41
* Твердость по ГОСТ 9506-65
** Твердость по Бринеллю 107 Па (кгс/мм2).
Основное количество содержащихся в этой таблице марок электрощеточных материалов предназначено специально для машин переменного тока. Только отдельные из них, созданные для других областей применения, фирмы-изготовители считают возможным рекомендовать для применения в данных условиях. Для полноты картины эти, уже описанные ранее марки электрощеток перечислены и в табл. 9-41.
Среди описанных в табл. 9-41 электрощеточных материалов обращают на себя внимание материалы, обладающие весьма высокими значениями удельного электрического сопротивления (р>100). Изготовленные из подобных материалов электрощетки предназначены главным образом для универсальных коллекторных машин малых мощностей. Ограниченные габаритные размеры и массы подобных машин исключают возможность устройства в них приспособлений, облегчающих коммутационные процессы, и требования к коммутирующим свойствам электрощеток со стороны этих машин оказываются наиболее жесткими. В соответствии с излагавшимися ранее соображениями о связях между коммутирующими способностями электрощеток и величиной удельного электрического сопротивления материала, из которого они изготовлены, две названные характеристики связаны прямой зависимостью. Вот почему для универсальных машин приходится изготавливать электрощетки с большими значениями р. Получение высокоомных электрощеточных материалов связано с использованием в технологии производства соответствующих связующих веществ, исключающих возможность проведения процессов электрографитации. Вот почему все эти материалы относятся ко II и III классам, устанавливаемым в соответствии с табл. 1-2. Однако поскольку материалы этих классов не в состоянии обеспечить удовлетворение всех требований, предъявляемых к электрощеткам современных крупных машин, во многих случаях приходится применять электрощеточные материалы IV класса, обеспечивая допустимый уровень коммутации за счет средств, закладываемых в машины.
Таблица 9-42
Оценка эксплуатационных свойств электрощеток, используемых на коллекторных машинах переменного тока
Продолжение табл. 9-42
*Изделия (машины, электрощетки) зарубежного производства.
Эксплуатационная оценка работы щеток на коллекторных электрических машинах переменного тока для ряда случаев их использования содержится в табл. 9-42, из которой следует, что при правильном подборе марок электроугольных изделий работа щеточно-коллекторного узла рассматриваемых машин может протекать вполне удовлетворительно. Последнее заключение подтверждается все расширяющейся практикой использования подобных машин в различных отраслях промышленности, таких, как текстильная, трикотажная, бумагоделательная, полиграфическая, пищевая, деревообрабатывающая и др. [Л. 9-20, 9-21].
При выборе электрощеток для коллекторных машин переменного тока им стремятся придать возможно меньшие тангенциальные размеры. Реализация этой тенденции привела к тому, что подобные машины оборудуются сравнительно узкими электрощетками. Их наиболее распространенные размеры таковы: 6,4X10X20 мм; 6,4Х20Х25 мм; 8X12,5X25 мм; 8X20X25 мм.
Малые размеры поперечного сечения электрощеток вызывают возрастание общего их числа. Так, например, описанные в [Л. 9-19] серии трехфазных двигателей Т и Е, перекрывая диапазон мощностей 1,1—130 кВт, имеют на себе 24—160 электрощеток.
Изложенные сведения об эксплуатационных свойствах электрощеток коллекторных машин переменного тока относились к машинам более или менее значительных размеров и мощностей. Между тем среди машин этого класса находится большое количество типов универсальных двигателей, используемых в приборах бытовой техники, машиносчетных устройствах и электрифицированном ручном инструменте. Эти двигатели имеют вполне определенное назначение, обладают малыми габаритами и массой и им сообщают обычно значительную частоту вращения. Так, например, изготавливаемые в соответствии с ГОСТ 10085-62 коллекторные однофазные электродвигатели, предназначенные для электрифицированного производственного инструмента, обладают характеристиками, проведенными в табл. 9-43. Якоря указанных двигателей должны без повреждения выдерживать в течение 2 мин повышенную частоту вращения не менее 18 000 об/мин. Отмечаемые факторы существенно усложняют работу элементов скользящего контакта машин рассматриваемого назначения, и скорости изнашивания электрощеток и коллекторов у них являются, как правило, повышенными.
Таблица 9-43
Характеристики коллекторных двигателей переменного тока, встраиваемых в электрифицированный инструмент (ГОСТ 10085-62)
В английских сообщениях указывается, что скорость изнашивания электроугольных изделий на лучших типах пылесосов, полотеров и т. п. машин считается удовлетворительной, если она составляет величину порядка 10 мм за 400 ч эксплуатации. На более высокоиспользуемых и более дешевых двигателях электрического инструмента, кофейных мельниц и смесителей приемлемым считается износ 10 мм за 200 ч эксплуатации. Износ коллектора по радиусу, равный 0,5—1,0 мм за 1000 ч эксплуатации, здесь признают нормальным [Л. 9-22].
Своеобразной является также конструкция щеткодержателей и электрощеток многих малых машин переменного тока. Здесь очень часто используется держатель так называемого патронного типа, в котором размещается электрощетка, несущая на себе цилиндрическую пружину (рис. 9-5). Для того чтобы нажатие на электрощетку по мере ее износа не выходило за пределы рекомендуемых значений, необходимо ее и пружину спроектировать так, чтобы разница в давлении на новое и полностью срабатывавшееся электроугольное изделие была минимальной. Последнюю задачу удается решить, отведя 30—50% общей длины внутреннего гнезда щеткодержателя для размещения в нем тела электрощетки, а остальную часть этой длины заполнить сжатой пружиной. Свободная длина пружины при этом должна не меньше чем в 2,5 раза превосходить ее длину в сжатом состоянии.
Рис. 9-5. Щетки для электрических машин, снабженных щеткодержателями патронного типа.
При эксплуатации высокооборотных коллекторных электрических машин не следует упускать из виду изложенных ранее рекомендаций по поводу динамики элементов скользящего контакта. Учитывай подобное обстоятельство, к состоянию рассматриваемых двигателей предъявляются повышенные требования. Так, дебаланс роторов двигателей электрифицированного инструмента, регламентированный ГОСТ 10085-62, не должен превышать следующих значений (табл. 9-44):
Таблица 9-44
Жесткими должны быть нормы на допустимый эксцентриситет, биение и другие показатели, определяющие процесс динамического взаимодействия элементов электрического скользящего контакта (гл. 7).
