RU2467451C2 - Dc motor switching system - Google Patents
Dc motor switching system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467451C2 RU2467451C2 RU2010151610/07A RU2010151610A RU2467451C2 RU 2467451 C2 RU2467451 C2 RU 2467451C2 RU 2010151610/07 A RU2010151610/07 A RU 2010151610/07A RU 2010151610 A RU2010151610 A RU 2010151610A RU 2467451 C2 RU2467451 C2 RU 2467451C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- brushes
- collector
- segments
- rotor
- electric motor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
- Dc Machiner (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к погружным электродвигателям постоянного тока и, в частности, к коммутационной системе для электродвигателя постоянного тока в окружающей среде в забое скважины.The present invention relates to submersible DC motors and, in particular, to a switching system for a DC motor in the environment in the bottom hole.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Электродвигатели являются основным средством преобразования электрической энергии в механическую энергию. Существуют несколько различных типов электродвигателей, в настоящее время использующихся в промышленности, которые можно в общем сгруппировать в два основных типа: электродвигатели с щетками и бесщеточные электродвигатели. Электродвигатели постоянного тока с магнитным полем от постоянных магнитов обычно создают более высокий крутящий момент по сравнению с обычными асинхронными электродвигателями переменного тока. Это достигается, поскольку поток намагничивания обычно является более высоким. Два магнитных потока (ротора и статора) поддерживаются на 90 градусов другу от друга для генерирования наибольшего крутящего момента. В обычном электродвигателе постоянного тока со щетками статор генерирует потоки намагничивания, которые могут быть получены постоянным магнитом. Ротор является главной обмоткой, и механическая коммутация обеспечивает надлежащее питание в обмотках посредством синхронизированного вращения набора проводящих сегментов, находящихся в контакте со статическими щетками электропитания. Обычно медные сегменты установлены вблизи вала ротора и вращаются с валом. Медные сегменты соединяются с обмоткой ротора. При вращении ротора выполняется распределение тока.Electric motors are the main means of converting electrical energy into mechanical energy. There are several different types of motors that are currently used in industry, which can generally be grouped into two main types: brushed motors and brushless motors. Permanent magnet magnetic field DC motors typically produce higher torque than conventional AC induction motors. This is achieved since the flux of magnetization is usually higher. Two magnetic fluxes (rotor and stator) are maintained 90 degrees apart from each other to generate the greatest torque. In a conventional brushless DC motor, the stator generates magnetization fluxes that can be obtained by a permanent magnet. The rotor is the main winding, and mechanical switching provides proper power to the windings by synchronized rotation of a set of conductive segments in contact with the static power brushes. Typically, copper segments are mounted near the rotor shaft and rotate with the shaft. Copper segments are connected to the rotor winding. When the rotor rotates, current distribution is performed.
Для предотвращения установления проводящих каналов между щетками промежутки между сегментами выполняются пустыми или заполненными изоляцией из лака или слюды. Вместе с тем, со временем данные промежутки могут покрываться или заполняться тонким слоем графитового порошка от щеток, который может создавать короткое замыкание между разными элементами, подключенными с различными напряжениями. Поскольку щетки обычно являются графитовыми, в зависимости от варианта применения они могут обычно работать только несколько месяцев до полного разрушения и возникновения необходимости в замене.To prevent the establishment of conductive channels between the brushes, the gaps between the segments are empty or filled with insulation from varnish or mica. However, over time, these gaps can be covered or filled with a thin layer of graphite powder from the brushes, which can create a short circuit between different elements connected with different voltages. Since brushes are usually graphite, depending on the application, they can usually work only a few months until complete destruction and the need for replacement.
При механической коммутации выработка тепла в коммутационной системе должна расходовать долю мощности электродвигателя. В обычных электродвигателях тепло отводится надлежащим контактом щеток с рамой статора, когда коллектор находится в контакте с валом, так что тепло может перемещаться на основной корпус ротора и отводиться, как остальные потери обмотки в роторе. Тепло может также частично удаляться воздушным потоком, который прогоняется в осевом направлении между ротором и статором для охлаждения данных элементов. Воздушный поток также транспортирует углеродную и медную пыль от коммутационной системы за пределы электродвигателя и помогает системе оставаться чистой.With mechanical switching, heat generation in the switching system must consume a fraction of the electric motor power. In conventional electric motors, heat is removed by the proper contact of the brushes with the stator frame when the collector is in contact with the shaft, so that heat can be transferred to the main rotor housing and removed, like other winding losses in the rotor. Heat can also be partially removed by an air stream that is driven axially between the rotor and stator to cool these elements. Airflow also transports carbon and copper dust from the switching system beyond the motor and helps the system stay clean.
Элементы коллектора обычно являются небольшими прямоугольными сегментами. Данная форма требуется вследствие большого числа сегментов, установленных на окружности коллектора. Длинный осевой размер является предпочтительным для ограничения плотности тока по щеткам, когда сегмент уходит от щеток, в этот момент индуктивность обмотки стремится сохранить высокое значение тока, тогда как поверхность контакта уменьшается.Collector elements are usually small rectangular segments. This form is required due to the large number of segments mounted on the circumference of the collector. A long axial dimension is preferred to limit the current density across the brushes when the segment moves away from the brushes, at this point the inductance of the winding tends to maintain a high current value, while the contact surface decreases.
В бесщеточных электродвигателях постоянного тока главные обмотки находятся в статоре, а ротор является вращающимся постоянным магнитом. В данном типе практического применения схема управления подает электропитание на обмотку статора так, что магнитный поток статора находится на 90 градусов от потока ротора. Это достигается с помощью датчиков, постоянно отслеживающих положение ротора.In brushless DC motors, the main windings are located in the stator, and the rotor is a rotating permanent magnet. In this type of practical application, the control circuit supplies power to the stator winding so that the stator magnetic flux is 90 degrees from the rotor flux. This is achieved using sensors that constantly monitor the position of the rotor.
В другом варианте применения энергию постоянного тока можно передавать на ротор машины, в данной ситуации вращающийся поток намагничивания постоянного тока такой машины получают при вращении обмотки, питающейся постоянным током. В данном варианте применения используют две щетки, и каждая щетка находится в постоянном контакте с одним сплошным вращающимся кольцом.In another application, direct current energy can be transferred to the rotor of the machine; in this situation, a rotating direct current magnetizing current of such a machine is obtained by rotating a winding powered by direct current. In this application, two brushes are used, and each brush is in constant contact with one continuous rotating ring.
Погружные электродвигатели используют в различных вариантах применения насосов. Одним вариантом является использование в циркуляционных насосах систем центрального отопления для домов и зданий, другим - использование в качестве электродвигателей для установок электрических центробежных погружных насосов (УЭЦН) на нефтепромыслах. В обоих случаях обычно используют асинхронные электродвигатели. В системах переменного тока, в частности трехфазных электродвигателях переменного тока, при использовании нескольких обмоток, расположенных под надлежащими углами, образуется вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с потоком индукции ротора (поток, полученный постоянным магнитом, обмоткой, создающей поле, или током самоиндукции, появляющимся в роторе (в короткозамкнутой обмотке типа «беличья клетка»). В результате взаимодействия ротор приводится во вращение. В таком образце отсутствует необходимость в коммутации, что делает его подходящим для погружных вариантов применения.Submersible motors are used in various pump applications. One option is the use of central heating systems for houses and buildings in circulation pumps, the other is the use of electric centrifugal submersible pumps (ESPs) in oil fields as electric motors. In both cases, asynchronous motors are usually used. In AC systems, in particular three-phase AC motors, when using several windings located at appropriate angles, a rotating magnetic field is generated that interacts with the rotor induction flux (a flux obtained by a permanent magnet, a winding that creates a field, or a self-induction current that appears in the rotor (in a short-circuited squirrel cage type winding). As a result of the interaction, the rotor is rotated. In such a sample there is no need for switching, what’s the matter? It is suitable for immersion applications.
Вместе с тем, мощность на единицу объема уменьшена по сравнению с электродвигателем постоянного тока. Данные электродвигатели требуют гораздо более дорогой обмотки и более сложных систем для управления скоростью вращения.At the same time, the power per unit volume is reduced in comparison with a DC motor. These motors require a much more expensive winding and more sophisticated systems to control rotation speed.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
Задачей настоящего изобретения является создание нового образца коммутационной системы, подходящей для погружных вариантов применения.The present invention is the creation of a new example of a switching system suitable for submersible applications.
Соответственно, первый аспект изобретения содержит коммутационную систему для электродвигателя постоянного тока, имеющего статор, включающий в себя множество обмоток и компоновку постоянного магнита, причем компоновка содержит: корпус; по меньшей мере, три сегмента коллектора, соединенные с обмотками статора внутри корпуса; и роторную компоновку в корпусе, имеющую щетки для соединения с сегментами коллектора, причем щетки, выступающие из роторов параллельно оси электродвигателя; при этом щетки прикреплены к роторам для вращения коаксиально и для контактирования с поверхностью сегментов коллектора.Accordingly, a first aspect of the invention comprises a switching system for a direct current electric motor having a stator including a plurality of windings and a permanent magnet arrangement, the arrangement comprising: a housing; at least three collector segments connected to stator windings inside the housing; and a rotor arrangement in a housing having brushes for connection with collector segments, brushes protruding from the rotors parallel to the axis of the electric motor; while the brushes are attached to the rotors for coaxial rotation and for contacting the surface of the collector segments.
Щетки могут также перемещаться параллельно оси электродвигателя. Предпочтительно щетки контактируют с поверхностями сегментов коллектора по существу перпендикулярно оси вращения вала электродвигателя.Brushes can also move parallel to the axis of the motor. Preferably, the brushes contact the surfaces of the collector segments substantially perpendicular to the axis of rotation of the motor shaft.
Предпочтительно в работе сегменты коллектора являются стационарными, а щетки вращаются вокруг оси электродвигателя. Щетки могут также перемещаться параллельно оси электродвигателя.Preferably, the collector segments are stationary in operation and the brushes rotate around the axis of the electric motor. Brushes can also move parallel to the axis of the motor.
Предпочтительно щетки одинаковой полярности соединены с пружиной для обеспечения контакта между щеткой и сегментом коллектора.Preferably, brushes of the same polarity are connected to the spring to provide contact between the brush and the collector segment.
Предпочтительно сегменты коллектора являются графитовыми. Щетки могут быть выполнены из материалов на основе меди.Preferably, the collector segments are graphite. Brushes can be made of copper-based materials.
Сегменты коллектора соединены в эквивалентные группы, и обмотки, прикрепленные к сегментам коллектора, соединены параллельно.The collector segments are connected into equivalent groups, and the windings attached to the collector segments are connected in parallel.
В одном варианте осуществления поверхность контакта между сегментами коллектора и щетками имеет коническую форму.In one embodiment, the contact surface between the collector segments and the brushes is tapered.
Коммутационная система может дополнительно содержать скользящие контакты для подачи питания на щетки. Скользящие контакты могут являться аксиально концентрическими трубчатыми электродами. Пружины аксиально прижимают трубчатые электроды к щеткам. Пружины могут также проводить электрический ток к трубчатым электродам.The switching system may further comprise sliding contacts for supplying power to the brushes. Sliding contacts may be axially concentric tubular electrodes. The springs axially press the tubular electrodes to the brushes. Springs can also conduct electric current to the tubular electrodes.
Предпочтительно пространство между каждым сегментом контакта заполнено изнашиваемым изоляционным материалом. Предпочтительно изоляционным материалом является известковый материал. Изоляционный материал является смесью талька и отвержденной смолы. Тальк может составлять более 55% от веса смеси. Смазочный элемент может также быть включен в состав смеси. Парафин можно использовать в качестве смазочной смеси, и он может составлять 55% от веса смеси.Preferably, the space between each contact segment is filled with wearing insulating material. Preferably, the insulating material is calcareous material. The insulation material is a mixture of talc and cured resin. Talc can make up more than 55% of the weight of the mixture. A lubricating element may also be included in the mixture. Paraffin can be used as a lubricant mixture, and it can be 55% by weight of the mixture.
Коммутационная система может дополнительно содержать воздушную систему очистки. Воздушная система очистки содержит вентилятор и/или пылесборник.The switching system may further comprise an air cleaning system. The air cleaning system includes a fan and / or dust collector.
Коммутационная система может также содержать фрикционные накладки. Накладки могут действовать, как каналы отвода тепла, образуемого трением при перемещении щеток. Предпочтительно накладки выполнены из пружинного элемента, проводящего мягкого легкодеформируемого материала или их комбинации.The switching system may also include friction linings. The pads can act as channels for removing heat generated by friction when moving the brushes. Preferably, the pads are made of a spring element conducting a soft, easily deformable material, or a combination thereof.
Щетки могут приводиться в синхронизированное вращение с приводным валом электродвигателя посредством магнитной связи. В одном варианте осуществления корпус коммутационной системы является трубой из немагнитного материала. Внешняя поверхность трубы из нержавеющей стали может содержать канавки по окружности, проходящие по зоне магнитной связи. Альтернативно трубу выполняют из немагнитных пластин слоистой конструкции. Труба содержит слой гидроизоляции, покрывающий внутреннюю поверхность трубы из пластин слоистой конструкции.The brushes can be driven in synchronized rotation with the drive shaft of the electric motor through magnetic coupling. In one embodiment, the housing of the switching system is a pipe of non-magnetic material. The outer surface of the stainless steel pipe may include circumferential grooves extending along the magnetic coupling zone. Alternatively, the pipe is made of non-magnetic plates of a layered structure. The pipe contains a waterproofing layer covering the inner surface of the pipe from plates of a layered structure.
Комбинация магнитов в магнитной связи может обеспечивать надлежащую ориентацию коммутационной системы после потери синхронизации. Комбинация магнитов в магнитной связи может также обеспечивать аксиальное перемещение щеток.The combination of magnets in magnetic coupling can provide proper orientation of the switching system after loss of synchronization. The combination of magnets in magnetic coupling can also provide axial movement of the brushes.
В одной конфигурации коммутационная система размещена в корпусе отдельно от статора электродвигателя. Предпочтительно корпус коммутационного устройства является камерой с атмосферным давлением. Альтернативно коммутационное устройство может работать в электризоляционной текучей среде.In one configuration, the switching system is housed separately from the motor stator. Preferably, the housing of the switching device is an atmospheric pressure chamber. Alternatively, the switching device may operate in an electrically insulating fluid.
В другой конфигурации коммутационная система размещена в камере, содержащей электроизоляционную текучую среду.In another configuration, the switching system is housed in a chamber containing an electrically insulating fluid.
Каждая из щеток может быть выполнена скрученной вместо блока токопроводного материала.Each of the brushes can be twisted instead of a block of conductive material.
Коммутационная система может иметь углы коммутации от 120 до 180 градусов. Предпочтительно углы коммутации составляют от 130 до 150 градусов.The switching system can have switching angles from 120 to 180 degrees. Preferably, the switching angles are from 130 to 150 degrees.
Коммутационное устройство может дополнительно иметь диоды, установленные параллельно сегментам коллектора.The switching device may additionally have diodes mounted parallel to the collector segments.
Второй аспект изобретения содержит электродвигатель для погружного варианта применения, содержащий коммутационную систему, описанную выше.A second aspect of the invention comprises an electric motor for a submersible application comprising a switching system as described above.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
фиг.1 изображает общий вид электрической схемы коммутационной системы;figure 1 depicts a General view of the electrical circuit of the switching system;
фиг.2 изображает вид системы с аксиальной системой щеток;figure 2 depicts a view of a system with an axial brush system;
фиг.3 изображает вид альтернативного варианта электрической схемы коммутационной системы;figure 3 depicts a view of an alternative embodiment of the electrical circuit of the switching system;
фиг.4 изображает общий вид коммутационной системы;figure 4 depicts a General view of the switching system;
фиг.5 и 6 изображают виды сегментов статических контактов;5 and 6 depict types of segments of static contacts;
фиг.7 и 8 изображают виды одного варианта осуществления щеток и вращающегося распределителя;7 and 8 depict views of one embodiment of brushes and a rotating dispenser;
фиг.9 изображает вид перекрывания сегментов контактов и щеток;Fig.9 depicts a view of the overlapping segments of the contacts and brushes;
фиг.10 изображает вид подведения тока к вращающимся щеткам;figure 10 depicts a view of the current supply to the rotating brushes;
фиг.11 изображает вид пружинного механизма для скользящих электродов;11 depicts a view of a spring mechanism for sliding electrodes;
фиг.12 и 13 изображают возможные образцы корпуса для создания магнитной связи;12 and 13 depict possible body examples for creating magnetic coupling;
фиг.14 изображает одну возможную конструкцию щеток;Fig. 14 depicts one possible design of brushes;
фиг.15 изображает эквивалентную схему системы ограничения искрообразования;Fig. 15 is an equivalent circuit diagram of a spark suppression system;
фиг.16 изображает ток, возникающий на диоде подавления искрообразования.Fig.16 depicts the current occurring in the spark suppression diode.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретенияDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Изобретение представляет собой механическую коммутационную систему для электродвигателя постоянного тока, которую можно использовать в погружных вариантах применения, таких как в забое скважин на нефтепромысле, т.e. для установок электрических центробежных насосов (УЭЦН).The invention is a mechanical switching system for a direct current electric motor, which can be used in submersible applications, such as in the bottom of wells in the oil field, i.e. for installations of electric centrifugal pumps (ESP).
Система разработана для работы с электродвигателем, где главная обмотка находится в статоре, и ротор является постоянным магнитом. Преимущество данной конструкции состоит в исключении подачи электроэнергии в ротор, что может обуславливать главные трудности для погружных электродвигателей, особенно в текучих средах под высоким давлением.The system is designed to work with an electric motor, where the main winding is located in the stator, and the rotor is a permanent magnet. The advantage of this design is that power is not supplied to the rotor, which can cause the main difficulties for submersible electric motors, especially in high-pressure fluids.
На фиг.1,a изображена основная электрическая схема одного возможного конструктивного исполнения предложенной системы. Обмотки 30 статора имеют топологию, одинаковую с вариантом применения для трехфазного переменного тока. Данные обмотки 30 соединены с сегментами 2 коллектора. Щетки 4 подводят питание к сегментам 2, причем щетки и сегменты коллектора контактируют друг с другом в радиальном направлении. Стрелка указывает предпочтительное направление вращения. В данном варианте ротор может составлять одну пару магнитов север/юг. На фиг.1,b указано шесть последовательных положений вектора напряженности магнитного поля, создаваемого статором.Figure 1, a shows the main electrical circuit of one possible design of the proposed system. The
На фиг.2 изображен аналогичный вариант применения, когда щетки 4 и сегменты 2 коллектора контактируют друг с другом в аксиальном направлении. Два варианта, показанные на фиг.1 и 2, имеют одинаковые электрические функциональные возможности.Figure 2 shows a similar application, when the
На фиг.3 изображен другой вариант применения коммутационной системы для электродвигателя с пятью магнитными парами на роторе, с системой ротора, имеющей пять пар щеток. Следует заметить, что число сегментов 2 коллектора организовано множеством N троек (одна на фазу обмотки), а щетки 4 организованы множеством N двоек (одна на полюс).Figure 3 shows another application of a switching system for an electric motor with five magnetic pairs on the rotor, with a rotor system having five pairs of brushes. It should be noted that the number of
Ключевым элементом в конструктивном исполнении коммутационной системы является оптимизация угла коммутации. Данный угол является углом поворота для проводимости тока в обмотке. Для трехфазной конструкции общеизвестно, что угол может изменяться от 120 до 180 градусов. Выбор угла является оптимизацией между созданием крутящего момента по отношению к пику тока и обеспечением достаточного времени для ограничения риска коммутационного искрения. С бесщеточным электродвигателем постоянного тока угол коммутации может быть близким к 120 градусам. Для механической коммутации важно иметь угол коммутации более 120 градусов для обеспечения крутящего момента для любого угла: это важно для обеспечения пуска в любом положении. В предпочтительном варианте осуществления электрический угол коммутации между 130 и 160 градусами используют для работы с высокоиндуктивными электродвигателями.A key element in the design of the switching system is the optimization of the switching angle. This angle is the rotation angle for the current conductivity in the winding. For a three-phase design, it is well known that the angle can vary from 120 to 180 degrees. The choice of angle is an optimization between generating torque with respect to the current peak and providing enough time to limit the risk of switching sparking. With a brushless DC motor, the switching angle can be close to 120 degrees. For mechanical switching, it is important to have a switching angle of more than 120 degrees to provide torque for any angle: it is important to ensure starting in any position. In a preferred embodiment, an electrical switching angle between 130 and 160 degrees is used to operate with high inductance motors.
На фиг.4 изображен схематичный вид аксиальной механической коммутационной системы электродвигателя постоянного тока. Коммутационная система содержит корпус, имеющий выходной вал 1, установленный для вращения внутри корпуса. Сегменты 2 коллектора фиксированно установлены в корпусе вокруг вала. Вращающийся распределитель 3 с щетками 4, выступающими из одного конца, установлены в корпусе так, что они вращаются с выходным валом. Трубчатые скользящие электроды 5 установлены в корпусе для подведения тока к распределяющим элементам и щеткам. Пружины 6 обеспечивают надлежащий контакт скользящих элементов на распределяющих элементах. Постоянные магниты, прикрепленные к выходному валу, обеспечивают вращение распределителя 3 посредством магнитной связи.Figure 4 shows a schematic view of an axial mechanical switching system of a DC motor. The switching system comprises a housing having an
На фиг.5 и 6 изображен один вариант осуществления сегментов коллектора, причем сегменты коллектора являются статичными в корпусе. Сегменты 2 поддерживаются изолирующими опорами 7, разделяющими каждый сегмент. Каждый сегмент соединен с соответствующей обмоткой статора (не показано). Циркуляции воздуха сквозь коммутационную систему помогают отверстия 8, находящиеся в коллекторе. Сегменты коллектора соединены в пары, например 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6. Такое можно осуществлять, поскольку обмотки статора, соединенные в пары, соединены параллельно. Данное означает, что пары щеток для одинаковой полярности не обязательно обе имеют контакт со своим соответствующим сегментом коллектора. Пока одна щетка контактирует со своим сегментом, ток будет подводиться в требуемую обмотку. Этим упрощаются механические требования к аксиальным допускам.5 and 6 show one embodiment of the collector segments, the collector segments being static in the housing.
На фиг.6 и 7 изображены виды вращающихся распределяющих элементов согласно варианту осуществления изобретения. Отрицательный ротор 9 и положительный ротор 10 коаксиально опираются на выходной вал. Скользящие контакты 11 помогают поддерживать непрерывную электрическую связь между щетками и их источником питания. Каждый из роторов имеет щетки 4, продольно выступающие из роторов 9, 10 и скользящие параллельно оси вала электродвигателя, так что контактная поверхность щеток 4, контактирующая с сегментами 2 коллектора, является перпендикулярной оси вала (фиг.8). В этом состоит отличие от обычных конфигураций, где щетки находятся в радиальной конфигурации, и поверхности контакта щеток и сегментов коллектора параллельны оси электродвигателя.6 and 7 show views of rotating dispensing elements according to an embodiment of the invention. The
При использовании электродвигателей в вариантах применения в УЭЦН имеется ограничение их внешнего диаметра, налагаемое для их размещения в скважинном оборудовании. Щетки, проходящие продольно вдоль оси электродвигателя, а не радиально, помогают уменьшить диаметр электродвигателя. В случае, если изнашиваемый материал, такой как графит, используют для выполнения щеток, длинные щетки можно использовать, даже если радиальное пространство, доступное для электродвигателя, ограничено, поскольку щетки проходят продольно. Этим обеспечивается продолжительное время работы без необходимости замены графитовых элементов.When using electric motors in applications in ESP, there is a limitation of their external diameter, imposed for their placement in downhole equipment. Brushes running longitudinally along the axis of the motor, rather than radially, help to reduce the diameter of the motor. In the event that a wear material such as graphite is used to make brushes, long brushes can be used even if the radial space available for the electric motor is limited because the brushes extend longitudinally. This ensures a long operating time without the need to replace graphite elements.
На щетки действует центробежная сила вследствие вращения распределителя. При аксиальном конструктивном исполнении щеток данная сила не действует в параллельном направлении пружины, используемой для обеспечения контакта между щетками и сегментами коллектора. Данное важно, поскольку обычное контактное усилие, создаваемое пружиной, находится в диапазоне нескольких килограммов для тока в диапазоне 100 ампер. Данная сила весьма мала в сравнении с создаваемой центробежной силой, и поэтому может быть трудно обеспечить надлежащее контактное усилие в диапазоне частоты вращения электродвигателя.Centrifugal force acts on the brushes due to the rotation of the distributor. With the axial design of the brushes, this force does not act in the parallel direction of the spring used to ensure contact between the brushes and the collector segments. This is important because the usual contact force generated by the spring is in the range of several kilograms for a current in the range of 100 amperes. This force is very small in comparison with the generated centrifugal force, and therefore it can be difficult to provide the proper contact force in the range of the motor speed.
Обычно щетки выполняют из графита, а сегменты коллектора из более твердого материала, вместе с тем, в одном варианте осуществления изобретения сегменты коллектора могут быть выполнены графитовыми, а щетки могут быть выполнены из более твердого материала, такого как металл на основе меди. Этим ограничиваются вес и изменение веса ротора, поскольку разрушение должно происходить на неподвижных сегментах коллектора, а не на щетках. Этим также обеспечивается меньшее смещение ротора со временем, поскольку изменение длины сегмента коллектора меньше, чем если использовать обычные графитовые щетки. Такое получается, поскольку для системы по изобретению разрушение для каждого сегмента происходит только часть времени, а в обычных коммутационных конструкциях графитовые щетки подвергаются непрерывному разрушению. С данным уменьшением смещения обеспечивается упрощение конструкции системы. В частности, толкающие пружины имеют меньшее расстояние для выдвижения, и поэтому легче достичь более единообразной толкающей силы.Typically, the brushes are made of graphite and the collector segments are made of harder material, however, in one embodiment, the collector segments can be made of graphite and the brushes can be made of harder material, such as copper based metal. This limits the weight and weight change of the rotor, since the destruction must occur on the fixed segments of the collector, and not on the brushes. This also ensures less rotor displacement over time, since the change in the length of the collector segment is less than if conventional graphite brushes are used. This happens because for the system according to the invention, destruction for each segment occurs only part of the time, and in conventional switching structures graphite brushes undergo continuous destruction. With this reduction in displacement, system design is simplified. In particular, the pushing springs have a shorter extension distance, and therefore it is easier to achieve a more uniform pushing force.
В другом варианте осуществления изобретения форма сегментов коллектора оптимизирована для обеспечения длительного полурадиального перекрывания между щетками и сегментами коллектора. Когда одна щетка уходит с одного сегмента, остаточная поверхность сокращается меньше по отношению к углу поворота, чем если бы сегмент имел строго радиальную кромку. Этим обеспечивается меньшая плотность тока в данной фазе вращения, которая может обеспечивать меньший локальный нагрев в области контакта электродов. Кромка электрода должна образовывать возможно больший угол с радиусом для обеспечения максимальной длины кромки. Вместе с тем, для исключения чрезмерно тонких и хрупких электродов должен существовать предел для образуемого угла. Криволинейные кромки щеток также обеспечивают выполнение щетками роли вентилятора, когда они вращаются в надлежащем направлении. Данный эффект вентилятора образует воздушный поток вокруг системы, улучшающий теплообмен посредством конвекции.In another embodiment, the shape of the collector segments is optimized to provide long, semi-radial overlap between brushes and collector segments. When one brush leaves one segment, the residual surface is reduced less in relation to the angle of rotation than if the segment had a strictly radial edge. This ensures a lower current density in this phase of rotation, which can provide less local heating in the contact area of the electrodes. The edge of the electrode should form the largest possible angle with the radius to ensure maximum edge length. However, to exclude excessively thin and brittle electrodes, there must be a limit to the angle formed. The curved edges of the brushes also ensure that the brushes act as fans when they rotate in the proper direction. This fan effect creates airflow around the system, which improves heat transfer through convection.
Особенно предпочтительным является увеличение поверхности контакта сегментов и щеток посредством использования конической формы.Particularly preferred is the increase in the contact surface of the segments and brushes by using a conical shape.
Угол конуса может быть широким, но должен ограничиваться для механической конструкции, чтобы:The cone angle can be wide, but should be limited for the mechanical structure, so that:
- кромка сегментов не становилась тонкой и хрупкой.- the edge of the segments did not become thin and brittle.
- конуса не начинали соединяться друг с другом и «прихватываться» вследствие аксиальной нагрузки, создаваемой толкающей пружиной.- the cones did not begin to connect with each other and “grab” due to the axial load created by the pushing spring.
Поскольку распределитель коммутационной системы имеет осесимметричное конструктивное исполнение, центробежная сила не влияет на щетки, выступающие из элементов распределителя. В одном варианте осуществления положительный и отрицательный роторы являются независимыми полностью жесткими блоками, обеспечивающими надлежащий контакт вследствие независимой центральной аксиальной нагружающей пружины.Since the switchgear of the switching system has an axisymmetric design, centrifugal force does not affect the brushes protruding from the elements of the distributor. In one embodiment, the positive and negative rotors are independent, completely rigid blocks that provide proper contact due to an independent central axial load spring.
В другой конфигурации изобретения щетки могут скользить по окружности ротора распределителя, при этом распределитель аксиально не перемещается. Центробежная сила должна создавать статическую силу трения, противодействующую аксиальному перемещению. При высокой частоте вращения может присутствовать центробежное ускорение до 500g (или больше). Тогда радиальная нагрузка на щетках должна находиться в диапазоне 500 Н, с коэффициентом трения 0,2, минимальная аксиальная сила должна составлять 100 Н: данное значение выше номинальной контактной силы для надлежащей работы щеток (данная сила может быть меньше 50 Н). При этом контактная сила на коллекторе должна зависеть от частоты вращения и уровня вибрации (которая помогает преодолеть статическое трение).In another configuration of the invention, the brushes can slide around the circumference of the distributor rotor, while the distributor does not axially move. Centrifugal force should create a static friction force that counteracts axial movement. At high speeds, centrifugal acceleration up to 500g (or more) may be present. Then the radial load on the brushes should be in the range of 500 N, with a coefficient of friction of 0.2, the minimum axial force should be 100 N: this value is higher than the nominal contact force for proper operation of the brushes (this force may be less than 50 N). In this case, the contact force on the collector should depend on the speed and vibration level (which helps to overcome static friction).
Как изображено на фиг.10, электрическое питание можно подводить к щеткам распределителя посредством использования непрерывных независимых скользящих контактов 12. Скользящие контакты образованы аксиальными концентрическими трубчатыми электродами 5, скользящими на вращающихся концентрических скользящих контактах сзади коллектора. Контакты 14 на одном конце труб находятся в контакте с пружинами, а другой конец труб поддерживает электрический контакт со щетками распределителя. Трубчатые электроды не вращаются, но только обеспечивают аксиальное перемещение для обеспечения контакта. Трубчатые электроды должны быть способны к аксиальному перемещению для компенсации износа контактов.As shown in FIG. 10, electrical power can be supplied to the distributor brushes by using continuous independent sliding contacts 12. The sliding contacts are formed by axial concentric
Как изображено на фиг.11, аксиальные пружины 6 прижимают трубчатые электроды 5 индивидуально к соответствующей части распределителя и к коллекторам. Пружины также проводят электрический ток к трубчатому электроду с подачей тока в пружины. Пружины обеспечивают надлежащий контакт между скользящими поверхностями для минимального электрического сопротивления.As shown in FIG. 11, the
Электродвигатель должен работать под напряжением до 3000 В на постоянном токе (даже до 4500 В на постоянном токе). При этом механическая коммутационная система должна быть способна работать при таком высоком напряжении. Для соответствия данному условию расстояние между неизолированными элементами должно составлять несколько миллиметров для предотвращения образования электрической дуги в зазоре. Данное условие применимо, в частности, ко всем электродам и сегментам коллектора. Для предотвращения уплотнения графитового порошка между сегментами зазор между сегментами коллектора заполнен материалом с высокими изолирующими свойствами, легко поддающимся разрушению, так что контакт между распределителем и коллектором выполняется посредством контакта с графитовыми сегментами, а не с материалом заполнения зазора, имеет высокую теплопроводность, поскольку на скользящем контакте образуется тепло, и который может приспосабливаться к тепловому расширению графита.The electric motor must operate at voltages up to 3,000 V DC (even up to 4,500 V DC). In this case, the mechanical switching system must be able to operate at such a high voltage. To comply with this condition, the distance between uninsulated elements should be a few millimeters to prevent the formation of an electric arc in the gap. This condition applies, in particular, to all electrodes and collector segments. To prevent compaction of graphite powder between the segments, the gap between the collector segments is filled with a material with high insulating properties that can be easily destroyed, so that the contact between the distributor and the collector is made by contact with the graphite segments and not with the filling material of the gap, it has high thermal conductivity, since on sliding the contact generates heat, and which can adapt to the thermal expansion of graphite.
Материалы, которые можно использовать как заполнитель между сегментами, включают в себя:Materials that can be used as aggregate between segments include:
- Материал типа известняка, такой как мел, поскольку легко подвергается разрушению, не абразивен, является хорошим электрическим изолятором и имеет высокую теплопроводность.- A material such as limestone, such as chalk, since it easily undergoes destruction, is not abrasive, it is a good electrical insulator and has high thermal conductivity.
- Полуводный гипс. Полуводный гипс можно смешивать с другим материалом, таким как глина, для обеспечения меньшей прочности конечного продукта.- Semi-aquatic gypsum. Semi-aquatic gypsum can be mixed with other material, such as clay, to provide less strength to the final product.
- Смесь эпоксидного продукта с тальком. При добавлении большого количества талька прочность литого материала должна резко уменьшаться. Соотношение тальк/эпоксид составляет предпочтительно 80/20% по весу. Для уменьшения трения считают необходимым добавлять некоторое количество смазочного вещества в смесь, такого как порошок парафина, обычно 5-10% по весу, с частицами менее 1 мм в диаметре.- Mixture of epoxy product with talc. When adding a large amount of talc, the strength of the cast material should decrease sharply. The talc / epoxide ratio is preferably 80/20% by weight. To reduce friction, it is considered necessary to add a certain amount of lubricant to the mixture, such as paraffin powder, usually 5-10% by weight, with particles less than 1 mm in diameter.
Заполнитель зазора можно также использовать между подвергающимися разрушению отрезками трубчатых электродов. Большая часть поверхностей коммутационной системы может также быть покрыта изоляционным материалом, таким как пластик или керамика для предотвращения образования электрической дуги. Образование электрической дуги можно также уменьшить заполнением камеры инертным газом, который легко не ионизируется, таким как N2.A gap filler may also be used between the fractured sections of tubular electrodes. Most of the surfaces of the switching system can also be coated with insulating material such as plastic or ceramic to prevent the formation of an electric arc. The formation of an electric arc can also be reduced by filling the chamber with an inert gas that is not easily ionized, such as N 2 .
Скольжение щеток создает разрушение. Материал, полученный при разрушении, является высокотокопроводящим, поскольку состоит из мелкого порошка графита с небольшой концентрацией металлического порошка. Данный токопроводящий порошок может обычно создавать тонкую пленку на большинстве поверхностей, особенно если силы электростатического притяжения присутствуют на данных поверхностях.Gliding brushes creates destruction. The material obtained by the destruction is highly conductive, since it consists of a fine graphite powder with a small concentration of metal powder. This conductive powder can usually create a thin film on most surfaces, especially if electrostatic attraction forces are present on these surfaces.
Коммутационная система заключена в небольшую закрытую камеру, так что количество токопроводящего порошка увеличивается за время эксплуатации, что увеличивает риск образования электрической дуги и короткого замыкания. Для предотвращения данных ситуаций воздушная система очистки может быть установлена в камере для сбора токопроводящего порошка в данной системе. Циркуляция воздуха в коммутационной системе осуществляется вращающимися вентиляторами. Действие вентилятора получают напрямую от элементов вращающегося распределителя, таких как щетки и щелевые соединительные кольца на трубчатых электродах. Воздух затем направляется в область 25 сбора. Используемые пылесборники могут включать в себя:The switching system is enclosed in a small closed chamber, so that the amount of conductive powder increases during operation, which increases the risk of an electric arc and short circuit. To prevent these situations, an air cleaning system can be installed in the chamber to collect conductive powder in this system. Air circulation in the switching system is carried out by rotating fans. The action of the fan is obtained directly from the elements of the rotating distributor, such as brushes and slotted connecting rings on the tubular electrodes. Air is then directed to the collection area 25. Dust bags used may include:
- Большую складчатую поверхность пористого и проницаемого материала, такую как бумажный фильтр, используемый для впуска воздуха в двигатели.- A large folded surface of a porous and permeable material, such as a paper filter, used to let air into engines.
- Материал типа губки, такой, который используют для впуска воздуха в двигатели.- A material such as a sponge, such as is used for air intake into engines.
- Лабиринт со стенками, покрытыми липкими материалами, создающий адгезию частиц. Адгезию можно также инициировать статическим электричеством.- Labyrinth with walls covered with sticky materials, which creates adhesion of particles. Adhesion can also be initiated by static electricity.
- Мокрый фильтр. Воздух пропускают вдоль поверхностей, которые смачиваются очищающей текучей средой. Воздух можно также прогонять через пыль из вещества мокрой очистки, а также пропускать через неглубокий слой такой текучей среды. В данном случае текучая среда очистки может представлять собой легкий нефтепродукт.- Wet filter. Air is passed along surfaces that are wetted by a cleaning fluid. Air can also be blown through the dust from a wet-cleaned substance, as well as passed through a shallow layer of such a fluid. In this case, the cleaning fluid may be a light oil product.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения коммутационная система размещена в камере с атмосферным давлением, через которую проходит приводной вал электродвигателя. Когда электродвигатель заполнен маслом, вал должен быть отделен от камеры с атмосферным давлением внутренним корпусом. Масло присутствует между валом и данным внутренним корпусом. Магнитная связь должна использоваться для приведения во вращение ротора распределителя. Система магнитной связи обеспечивает передачу вращения от вала на коммутационный распределитель, не требуя физического вращающегося уплотнения, поскольку вал отделен от камеры с атмосферным давлением.In a preferred embodiment of the invention, the switching system is placed in a chamber with atmospheric pressure through which the drive shaft of the electric motor passes. When the electric motor is filled with oil, the shaft must be separated from the chamber with atmospheric pressure by the inner casing. Oil is present between the shaft and this inner housing. Magnetic coupling should be used to drive the distributor rotor. The magnetic communication system provides transmission of rotation from the shaft to the switching distributor, without requiring a physical rotating seal, since the shaft is separated from the chamber with atmospheric pressure.
Распределитель вращается с высокой частотой (6000 или даже больше об/мин). Поскольку вращающийся распределитель не прикреплен к валу, должно быть обеспечено надлежащее направление. С использованием коммутационной системы изобретения не требуются специфические подшипники, поскольку скользящие контакты для электродов играют роль аксиальных и радиальных подшипников:The distributor rotates at a high frequency (6000 or even more rpm). Since the rotary distributor is not attached to the shaft, proper direction must be ensured. Using the switching system of the invention, specific bearings are not required, since the sliding contacts for the electrodes play the role of axial and radial bearings:
- Для поддержания аксиального усилия на вращающийся распределитель действует усилие сжатия, приложенное на обе его скользящие поверхности, поскольку пружины давят на неподвижные трубчатые электроды.- To maintain the axial force, a rotating force is exerted by a compressive force exerted on both of its sliding surfaces, since the springs press on the stationary tubular electrodes.
- Для радиального направления контакты скользящих электродов на обеих сторонах распределителя могут быть коническими, обеспечивая центрирование вращающегося распределителя.- For the radial direction, the contacts of the sliding electrodes on both sides of the distributor can be conical, providing centering of the rotating distributor.
Дополнительные обычные радиальные втулки можно устанавливать в случае высокого радиального смещения распределителя вследствие ударной нагрузки.Additional conventional radial bushings can be installed in case of high radial displacement of the distributor due to shock load.
Объединение функций (контактных электродов и подшипников) обеспечивает работу системы без дополнительных скользящих поверхностей, которые могут создавать дополнительную выработку тепла вследствие трения. Важно ограничивать выработку тепла, поскольку сам коммутационный процесс уже является главным источником тепла.The combination of functions (contact electrodes and bearings) ensures the operation of the system without additional sliding surfaces, which can create additional heat production due to friction. It is important to limit heat production, since the switching process itself is already the main source of heat.
Электродвигатель и коммутационная система могут подвергаться вибрации от системы вращения и внешних воздействий. Аксиальная вибрация является главной проблемой, поскольку может приводить к образованию электрической дуги. Если скользящий контакт потерян, ток будет «втянут» в воздушный зазор вследствие высокой индуктивности обмотки электродвигателя, с созданием дуги в зазоре. Также при восстановлении контакта может создаваться механическое динамическое воздействие.The electric motor and the switching system may be subject to vibration from the rotation system and external influences. Axial vibration is a major problem because it can lead to the formation of an electric arc. If the sliding contact is lost, the current will be “drawn” into the air gap due to the high inductance of the motor winding, with the creation of an arc in the gap. Also, when contact is restored, mechanical dynamic action can be created.
В отношении аксиальной вибрации, поскольку система электродов (трубчатого электрода и распределителя) имеет существенную массу, при низком коэффициенте упругости собственная резонансная частота системы является низкой. Поэтому важно ограничивать потенциальный резонанс демпфированием. Это достигается благодаря трению трубчатого электрода с радиальной поверхностью, а также ротором распределителя. Фрикционные накладки можно добавлять на периферии системы. Данные накладки обеспечивают демпфирование вибрации скользящих компонентов, принимая во внимание непрерывное электрическое питание в некоторых электродах. Накладки можно выполнять из пружинных элементов или теплопроводящих мягких элементов (таких, как из специальной резины). Накладки можно также использовать для увеличения теплопередачи со скользящей поверхности щеток на внешний корпус системы. Дополнительно к этому пружина может скользить по поверхности, покрытой волосками, наклоненными к электродам. Этим обеспечиваются перемещение системы пружин и расширение только в одном направлении, компенсирующее разрушение графита, и с данным односторонним перемещением резонанс не может устанавливаться.With respect to axial vibration, since the electrode system (tubular electrode and distributor) has a substantial mass, at a low coefficient of elasticity, the natural resonant frequency of the system is low. Therefore, it is important to limit potential resonance to damping. This is achieved due to the friction of the tubular electrode with a radial surface, as well as the rotor of the distributor. Friction linings can be added on the periphery of the system. These pads provide vibration damping for the sliding components, taking into account the continuous electrical power supply in some electrodes. Pads can be made of spring elements or heat-conducting soft elements (such as special rubber). The pads can also be used to increase heat transfer from the sliding surface of the brushes to the outer casing of the system. In addition, the spring can slide over a surface covered with hairs inclined to the electrodes. This ensures the movement of the spring system and expansion in only one direction, compensating for the destruction of graphite, and with this one-way movement, the resonance cannot be established.
Радиальная вибрация может также являться проблемой, если используют коническую поверхность. Радиальная сила на распределителе действует, аксиально отделяя системы электродов вследствие наличия конуса. Вместе с тем, вследствие множества щеток это не влияет на коммутацию, поскольку, по меньшей мере, один контакт на полюс должен оставаться соединенным.Radial vibration can also be a problem if a conical surface is used. The radial force on the distributor acts, axially separating the electrode systems due to the presence of a cone. However, due to the plurality of brushes, this does not affect the switching, since at least one contact per pole must remain connected.
Вместе с тем, при присутствии радиальной силы, действующей на ротор распределителя, создаются напряжения на графитовых элементах. Данная радиальная нагрузка создает растягивающие тангенциальные напряжения в графите в трубчатых электродах, а также изгиб в сегментах, создающий риск разрушения графита. Для ограничения риска разрушения должен быть ограничен угол конуса, так чтобы распределитель немного толкал трубчатый электрод назад и затем перемещал на «безопасные радиальные подшипники».However, in the presence of a radial force acting on the rotor of the distributor, stresses are created on the graphite elements. This radial load creates tensile tangential stresses in graphite in tubular electrodes, as well as bending in segments, creating a risk of graphite destruction. To limit the risk of collapse, the cone angle must be limited so that the distributor pushes the tubular electrode back a little and then moves it to “safe radial bearings”.
- При частоте вращения 6000 об/мин 1 грамм дисбаланса на периферии распределителя может создавать радиальную силу в диапазоне нескольких килограммов. С надлежащим углом конуса несколько граммов «дисбаланса» требуются перед подтягиванием ротора вбок для уравновешивания аксиальной пружинной силы.- At a speed of 6000 rpm, 1 gram of imbalance on the periphery of the distributor can create a radial force in the range of several kilograms. With the proper cone angle, several grams of “imbalance” are required before pulling the rotor to the side to balance axial spring force.
- С общей радиальной вибрацией электродвигателя в диапазоне до 5 g вся масса ротора может создавать радиальную силу, приложенную на конус подшипника. Если объединенная сила пружины составляет 10 килограммов и углы конуса 45 градусов, общая масса распределителя не должна превышать 2 кг для предотвращения радиального смещения ротора на радиальном подшипнике.- With a total radial vibration of the electric motor in the range of up to 5 g, the entire mass of the rotor can create a radial force applied to the bearing cone. If the combined spring force is 10 kilograms and the cone angles are 45 degrees, the total mass of the distributor should not exceed 2 kg to prevent radial displacement of the rotor on the radial bearing.
- При радиальной ударной нагрузке от перемещения электродвигателя краном ротор распределителя должен перемещаться до радиального подшипника.- With a radial shock load from moving the electric motor by a crane, the distributor rotor must move to the radial bearing.
Поэтому распределение электрического тока работает надлежащим образом без влияния на него дисбаланса массы и с радиальной вибрацией электродвигателя.Therefore, the distribution of electric current works properly without affecting the mass imbalance and with radial vibration of the electric motor.
Магнитная связь приводит во вращение распределитель. Вал электродвигателя находится в масле под давлением, а коммутационная система работает в камере с атмосферным давлением. Они разделены внутренним корпусом, вместе с тем, стенка внутреннего корпуса должна быть немагнитной для обеспечения проникновения магнитного потока между валом электродвигателя и распределителем. Стенка также должна ограничивать появление вихревых токов для ограничения нагрева. Для достижения этого для выполнения стенки можно использовать композитный материал, такой как стеклопластик со специальной смолой.Magnetic coupling drives the distributor. The motor shaft is in oil under pressure, and the switching system operates in a chamber with atmospheric pressure. They are separated by an inner casing, however, the wall of the inner casing must be non-magnetic to ensure the penetration of magnetic flux between the motor shaft and the distributor. The wall should also limit eddy currents to limit heating. To achieve this, a composite material such as fiberglass with a special resin can be used to make the wall.
В одном подходе стенку корпуса можно выполнить из композитного материала, например стеклопластика с эпоксидной смолой. В другом варианте осуществления стенку может образовывать тонкая трубка 14 из немагнитного металла, такого как нержавеющая сталь, толщиной, например, менее 2 мм для диаметра обычно более 20 мм, как показано на фиг.12. Поверх зоны магнитной связи по окружности в трубке 14 с внешней стороны прорезаны глубокие тонкие канавки 15. Канавки обычно разнесены на 0,5-1 мм друг от друга и должны иметь насколько возможно малую ширину, составляющую до 0,1 мм. Глубина канавок в трубке такова, что только малая толщина металла оставлена под канавками, например не прорезано 0,5 мм. С таким рядом канавок по окружности трубка является почти стопкой немагнитных пластин слоистой конструкции. Поскольку трубка немагнитная, при вращении магнита 16 магнитный поток может передаваться поперек стенки. При вращении «стопка слоистой конструкции» ограничивает появление вихревых токов, как при типичной конструкции пускателя электродвигателя. Поскольку глубокие канавки не проходят на всю толщину стенки трубки, герметизация не теряется и масло не может проникнуть в коммутационную камеру. Как механическая конструкция, одна спиральная канавка в металлическом немагнитном материале на отрезке длины передачи магнитного потока может обеспечивать аналогичный эффект.In one approach, the wall of the housing can be made of composite material, for example fiberglass with epoxy resin. In another embodiment, a
В альтернативной конструкции трубку можно локально выполнить, как стопку немагнитных пластин 17 слоистой конструкции, показанной на фиг.13. Данные пластины аксиально сжаты для образования части трубы 18 посредством аксиальных натяжных стержней 19. Стопка обеспечивает работу вращающейся магнитной связи. Вместе с тем, поскольку стопка является рядом пластин, она не обеспечивает гидроизоляции. Поэтому тонкий герметизирующий слой 20 добавлен на стороне, находящейся в текучей среде под давлением. Данный слой может представлять собой тонкую металлическую трубку, или слой пластика, или резины. Предназначен тонкий слой для создания герметизации. Напряжение, созданное давлением, должно поддерживаться слоистой конструкцией, как тангенциальное напряжение.In an alternative design, the tube can be locally formed as a stack of
Если использовать резину, как герметизирующий слой, можно выполнить отогнутую кромку 21 для получения герметизации, поскольку резина обычно имеет тенденцию сокращаться при отливке в проточке. Отогнутые кромки можно использовать на обоих концах слоя резины.If rubber is used as a sealing layer,
Магнитная связь обеспечивает аксиальное перемещение распределителя в коммутационной камере, а вал остается в заданном аксиальном положении. Такое может происходить при использовании магнитов на обеих частях, поляризованных в радиальном направлении. Магнитная связь имеет конструктивное исполнение с достаточным числом магнитов, так что если распределитель неожиданно получит угловое рассогласование с магнитом вала, надлежащее положение распределителя должно быть восстановлено.Magnetic coupling provides axial movement of the distributor in the switching chamber, and the shaft remains in the specified axial position. This can happen when using magnets on both parts, polarized in the radial direction. Magnetic coupling has a design with a sufficient number of magnets, so that if the valve suddenly gets angular mismatch with the shaft magnet, the correct position of the valve must be restored.
Например, при четырехполюсном роторе электродвигателя с шестью обмотками используют две группы магнитов, так что ротор должен находиться в правильном положении для каждых 180 градусов. Данное обеспечивает продолжение функционирования электродвигателя после возможной потери углового положения.For example, with a four-pole rotor of an electric motor with six windings, two groups of magnets are used, so that the rotor must be in the correct position for every 180 degrees. This ensures that the motor continues to function after a possible loss of angular position.
Коммутационной системе необходима точная угловая ориентация по отношению к обмотке статора. Для длинного электродвигателя это может быть труднодостижимо вследствие влияния ряда механических элементов на надлежащую угловую ориентацию, и может возникать конкретная проблема, если коммутационная система установлена в корпусе, отделенном от статора электродвигателя.The switching system requires accurate angular orientation with respect to the stator winding. For a long electric motor, this can be difficult to achieve due to the influence of a number of mechanical elements on the proper angular orientation, and a specific problem may arise if the switching system is installed in a housing separated from the stator of the electric motor.
Для достижения точной угловой ориентации можно применять боковое шиммирование магнита на приводном валу для изменения положения магнита по отношению к оси вала. Данный способ является предпочтительным, поскольку дешев и чрезвычайно надежен. Обычно тонкая немагнитная трубка должна надеваться на компоновку.To achieve accurate angular orientation, lateral shimming of the magnet on the drive shaft can be used to change the position of the magnet relative to the axis of the shaft. This method is preferred because it is cheap and extremely reliable. Typically, a thin non-magnetic tube should be worn on the layout.
Коммутационная система может образовывать значительное количество тепла. Часть тепла образуется в результате высокоскоростного трения между распределителем и графитовыми элементами. Тепло также образуется на щетках распределения вследствие искр и высокой плотности тока при отходе щеток от сегментов.The switching system can generate a significant amount of heat. Part of the heat is generated as a result of high-speed friction between the distributor and the graphite elements. Heat is also generated on the distribution brushes due to sparks and high current density when the brushes move away from the segments.
Ряд конфигураций можно использовать для ограничения температуры во время работы системы.A number of configurations can be used to limit the temperature during system operation.
- Охлаждение за счет теплопроводности для всех критических элементов. Коллектор соединяют с внешним корпусом для прямой передачи тепла в текучую среду снаружи электродвигателя. Корпус коллектора может быть выполнен из литьевой керамики.- Cooling due to thermal conductivity for all critical elements. The collector is connected to an external housing for direct heat transfer to the fluid outside the motor. The collector body can be made of molded ceramic.
- Дополнительное охлаждение принудительной конвекцией с действием вращающихся электродов на распределителе, как вентиляторов. Могут быть открыты окна в пластиковом изоляторе и корпусе для увеличения теплообмена посредством принудительной конвекции.- Additional cooling by forced convection with the action of rotating electrodes on the distributor, like fans. Windows in a plastic insulator and housing can be opened to increase heat transfer through forced convection.
- Добавление смазочного вещества для уменьшения трения скольжения (и выработки тепла) при высокой скорости вращения. Этого можно достигнуть добавлением смазочного вещества в композитный материал между невращающимися электродами (парафина в смесь эпоксида и талька, например). Другой способ может содержать ввод пара смазочного вещества в атмосферу. Этого можно достигнуть действием капиллярного затекания надлежащей смазочной жидкости на дне коммутационной камеры, например легких нефтепродуктов или дизельного топлива.- Adding a lubricant to reduce sliding friction (and heat generation) at high rotation speeds. This can be achieved by adding a lubricant to the composite material between non-rotating electrodes (paraffin in a mixture of epoxide and talc, for example). Another method may include introducing a vapor of the lubricant into the atmosphere. This can be achieved by capillary flow of an appropriate lubricant at the bottom of the switching chamber, for example, light petroleum products or diesel fuel.
- Уменьшение пружинной силы для ограничения трения.- Reduced spring force to limit friction.
- Использование специального газа в камере с атмосферным давлением:- Use of special gas in a chamber with atmospheric pressure:
- N2 для замедления появления искры.- N 2 to slow the appearance of sparks.
- He (гелий) для улучшенной передачи тепла конвекцией.- He (helium) for improved convection heat transfer.
- Исключение кислорода для предотвращения горения углерода при высокой температуре.- Exclusion of oxygen to prevent carbon burning at high temperature.
- Ввод пара в атмосферу для резкого увеличения тепловой характеристики атмосферы (также через капиллярное затекание). Это увеличивает передачу тепла посредством принудительной конвекции.- The introduction of steam into the atmosphere for a sharp increase in the thermal characteristics of the atmosphere (also through capillary flow). This increases heat transfer through forced convection.
Коммутационную систему можно также использовать для работы прямо в масле. При этом обеспечивают работу системы без магнитной связи. В данной ситуации щетки оптимизируют для предотвращения образования пленки текучей среды в области контакта между щетками и контактным сегментом. Щетки также разработаны для предотвращения залипания под действием перепада давления во время продолжительных остановок. Щетки могут быть выполнены из пористого токопроводящего материала, стопок слоев с канавками, параллельными оси щетки, или могут являться скрученными щетками, изображенными на фиг.14. Щетки (показано позицией 4 на фиг.7) выполнены из множества жил 22. Щетки соединены на одном конце с вращающимся распределителем 3 и проходят аксиально для создания контакта с контактными сегментами 2, соединенными с обмотками статора.The switching system can also be used to work directly in oil. At the same time, they ensure operation of the system without magnetic coupling. In this situation, the brushes are optimized to prevent the formation of a film of fluid in the contact area between the brushes and the contact segment. The brushes are also designed to prevent sticking due to pressure drop during extended stops. The brushes can be made of porous conductive material, stacks of layers with grooves parallel to the axis of the brush, or they can be twisted brushes shown in Fig. 14. The brushes (shown at 4 in FIG. 7) are made of a plurality of
Дополнительным аспектом изобретения является возможность ограничения образования искр во время коммутации, поэтому коммутационная система может также содержать гаситель 26 электрических искр. Диоды могут быть установлены параллельно сегментам коллектора для выполнения функции обратного диода в инверторе электродвигателя. Искры могут обычно образовываться чрезмерным напряжением между сегментами и щетками во время коммутации (перехода прерывания тока) вследствие электродвижущей силы самоиндукции в реактивной нагрузке (обмотках электродвигателя). Скользящие контакты, содержащие щетки и сегменты коллектора, шунтируются встречнопараллельными диодами, соединенными следующим образом: диоды анодной группы соединены вместе своими анодами и отрицательным полюсом питания, а их катоды соедины с каждой фазой обмоток электродвигателя; диоды катодной группы соединены вместе своими катодами и положительным полюсом питания, а их аноды соединены с каждой фазой обмотки электродвигателя. Как показано на фиг.1, 2 и 3, группа диодов 31 установлена для шунтирования реактивной нагрузки (обмоток электродвигателя). Эквивалентная схема электродвигателя во время переключения показана на фиг.15, где три обмотки представлены сопротивлением R, индуктивностью L и обратной электродвижущей силой (ЭДС); только активный диод представлен для анализируемого перехода. На фиг.16 показан типичный ток в диоде. Во время возникновения перенапряжения на механических элементах переключения обратный диод проводит ток, и ток в коммутированной обмотке быстро демпфируется. При этом также ограничивается рост напряжения, что предотвращает образование дуги. Данный способ обычно используют для постоянного тока в бесщеточном варианте применения, устанавливая обратный диод параллельно переключателям на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) инвертора.An additional aspect of the invention is the possibility of limiting the formation of sparks during switching, therefore, the switching system may also include a suppressor 26 of electric sparks. Diodes can be installed parallel to the collector segments to act as a reverse diode in the inverter of the electric motor. Sparks can usually be generated by excessive voltage between segments and brushes during switching (current interruption) due to the electromotive force of self-induction in the reactive load (motor windings). Sliding contacts containing brushes and collector segments are bridged by counter-parallel diodes connected as follows: the anode group diodes are connected together by their anodes and the negative power pole, and their cathodes are connected to each phase of the motor windings; diodes of the cathode group are connected together by their cathodes and a positive power pole, and their anodes are connected to each phase of the motor winding. As shown in figures 1, 2 and 3, a group of
Коммутационная система описана для использования, как часть электродвигателя для привода электрических погружных насосов типа, используемого для добычи углеводородного сырья из скважин. Вместе с тем, коммутацию можно использовать в других скважинных инструментах и в вариантах применения, не относящихся к нефтепромысловому производству.The switching system is described for use as part of an electric motor for driving electric submersible pumps of the type used to produce hydrocarbon feedstocks from wells. At the same time, switching can be used in other downhole tools and in applications not related to oilfield production.
Claims (40)
корпус;
по меньшей мере, три сегмента коллектора, соединенных с обмотками статора внутри корпуса; и
компоновку ротора в корпусе, включающую в себя ротор, имеющий щетки для соединения с сегментами коллектора, причем щетки выступают из ротора параллельно оси электродвигателя; при этом щетки прикреплены к ротору для вращения коаксиально с ним и для контактирования с поверхностью сегментов коллектора.1. A switching system for a direct current electric motor having a stator including a plurality of windings and a permanent magnet arrangement comprising:
housing;
at least three collector segments connected to stator windings inside the housing; and
an arrangement of the rotor in the housing, including a rotor having brushes for connecting to the collector segments, the brushes protruding from the rotor parallel to the axis of the electric motor; wherein the brushes are attached to the rotor for rotation coaxially with it and for contacting the surface of the collector segments.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010151610/07A RU2467451C2 (en) | 2008-05-16 | 2008-05-16 | Dc motor switching system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010151610/07A RU2467451C2 (en) | 2008-05-16 | 2008-05-16 | Dc motor switching system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010151610A RU2010151610A (en) | 2012-06-27 |
| RU2467451C2 true RU2467451C2 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=46681476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010151610/07A RU2467451C2 (en) | 2008-05-16 | 2008-05-16 | Dc motor switching system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2467451C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643357C2 (en) * | 2013-08-07 | 2018-02-01 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device for electrotransmission to rotary body, supported at rotating support |
| RU180248U1 (en) * | 2018-03-20 | 2018-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью Электротехнический завод "ГЭКСАР" | Switch DC motor |
| RU2678336C1 (en) * | 2013-12-05 | 2019-01-28 | Машиненфабрик Райнхаузен Гмбх | Electrical system for three-phase alternating current network, switching device for said system, and method for actuating switching device |
| RU202433U1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-02-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" | Non-conductive grinding brush for slip rings and collectors of electrical machines |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2581260A1 (en) * | 1985-04-12 | 1986-10-31 | Paris & Du Rhone | Brush holder for a front commutator of a rotating electrical machine |
| US4774430A (en) * | 1985-12-17 | 1988-09-27 | Braun Aktiengesellschaft | Brush assembly for electrical motors |
| US6586858B1 (en) * | 2002-02-28 | 2003-07-01 | Louis Finkle | DC voltage powered rotating brush motor |
| RU2264025C2 (en) * | 2003-12-10 | 2005-11-10 | Денисенко Геральд Иванович | Magnetoelectric machine |
| RU2286642C2 (en) * | 2003-12-16 | 2006-10-27 | Виктор Васильевич Булгар | Direct-current inductor motor |
-
2008
- 2008-05-16 RU RU2010151610/07A patent/RU2467451C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2581260A1 (en) * | 1985-04-12 | 1986-10-31 | Paris & Du Rhone | Brush holder for a front commutator of a rotating electrical machine |
| US4774430A (en) * | 1985-12-17 | 1988-09-27 | Braun Aktiengesellschaft | Brush assembly for electrical motors |
| US6586858B1 (en) * | 2002-02-28 | 2003-07-01 | Louis Finkle | DC voltage powered rotating brush motor |
| RU2264025C2 (en) * | 2003-12-10 | 2005-11-10 | Денисенко Геральд Иванович | Magnetoelectric machine |
| RU2286642C2 (en) * | 2003-12-16 | 2006-10-27 | Виктор Васильевич Булгар | Direct-current inductor motor |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643357C2 (en) * | 2013-08-07 | 2018-02-01 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device for electrotransmission to rotary body, supported at rotating support |
| RU2678336C1 (en) * | 2013-12-05 | 2019-01-28 | Машиненфабрик Райнхаузен Гмбх | Electrical system for three-phase alternating current network, switching device for said system, and method for actuating switching device |
| RU180248U1 (en) * | 2018-03-20 | 2018-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью Электротехнический завод "ГЭКСАР" | Switch DC motor |
| RU202433U1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-02-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" | Non-conductive grinding brush for slip rings and collectors of electrical machines |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010151610A (en) | 2012-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7385330B2 (en) | Permanent-magnet switched-flux machine | |
| US6664704B2 (en) | Electrical machine | |
| CN101815842B (en) | Shrink tube encapsulated magnet wire for electrical submersible motors | |
| JP2003518896A (en) | Thermally protected electrical machine | |
| US8742643B2 (en) | Commutation system for a DC motor | |
| CN111509948B (en) | Multi-degree-of-freedom magnetic field modulation type magnetic screw actuator and integrated design method thereof | |
| IE60295B1 (en) | Full flux reversal variable reluctance machine | |
| CN103730997A (en) | Excitation integrated type brushless synchronous motor | |
| RU2467451C2 (en) | Dc motor switching system | |
| CN105453394A (en) | Birotor motor as well as fan and compressor using same | |
| EP3427369A1 (en) | Hybrid electric motor for electric submersible pump | |
| CN103427587A (en) | High-thrust tubular linear motor | |
| US7362026B2 (en) | Homopolar multi-frames (cylinders) generator-motor | |
| CN109672309A (en) | A kind of synchronous reluctance submersible motor | |
| CN109067024A (en) | A kind of big torque micro-vibration magnetic suspension switched reluctance motor | |
| CN1893222A (en) | Centrifugal permanent-magnet starting generating equip ment | |
| EP3942153A1 (en) | Permanent magnet motor for electrical submersible pump | |
| CN103618433B (en) | A kind of socket type magnetism-gathering magnetic line structure for permanent magnetic vortex drive device | |
| CN106655550B (en) | A kind of motorized roller motor | |
| CN107134867B (en) | Ultra-long iron core and few coil permanent magnet synchronous motor for driving underground electric drilling tool | |
| AU2017277892B2 (en) | Rotating mass energy store | |
| WO2015181703A1 (en) | Electrical machine with continuous geometry and constant torque operation | |
| CN109245473A (en) | A kind of three-phase motor | |
| CN107124083A (en) | Axial magnetic circuit tandem type both-end excitation electromotor | |
| RU2063554C1 (en) | Electric pump unit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170517 |