RU99658U1

RU99658U1 - SEMICONDUCTOR COLLECTOR

Info

Publication number: RU99658U1
Application number: RU2010120057/07U
Authority: RU
Inventors: Максим Геннадьевич Панин; Рафиль Наилевич Султангалеев; Роберт Радилович Саттаров
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2010-11-20

Abstract

Коллектор электрической машины, состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин с межламельной изоляцией между ними, снабженный системой конденсаторов в количестве, равном количеству коллекторных пластин, отличающийся тем, что конденсаторы выполнены в виде комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов с переменной емкостью, которые установлены в защитные корпуса, выполненные в виде полых алюминиевых стаканов, закрытых с обеих сторон крышками из диэлектрика, и размещенные в корпусе коллектора, при этом комплект варикапов установлен обоими выводами в шахматном порядке в полые цилиндрические изогнутые в двух плоскостях проводники в виде трубок и запаян в них, а трубки сплющенными концами припаяны к двум разным сторонам нижней грани одной коллекторной пластины. The collector of an electric machine, consisting of a set of conductive collector plates radially mounted in an insulated collector design with interlamellar insulation between them, equipped with a capacitor system in an amount equal to the number of collector plates, characterized in that the capacitors are made in the form of a set of bipolar, series-connected varicaps with variable capacitance which are installed in protective housings made in the form of hollow aluminum cups closed on both sides by lids both of the dielectric and placed in the collector case, while the set of varicaps is staggered into both hollow cylindrical bent in two planes wires in the form of tubes and sealed in them, and the tubes with tapered ends are soldered to two different sides of the lower edge of one collector plate .

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в двигателях постоянного тока малой мощности с высоким напряжением питания.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in DC motors of low power with a high supply voltage.

Известен коллектор (патент СССР №89965, кл. H01R 39/06, 1950) электрической машины с изоляцией между пластинами, которая выполнена из материала с большой диэлектрической проницаемостью, например, из титаната бария.A known collector (USSR patent No. 89965, class H01R 39/06, 1950) of an electric machine with insulation between the plates, which is made of a material with high dielectric constant, for example, barium titanate.

Существенными недостатками данного устройства является недостаточная прочность и монолитность конструкции коллектора и невозможность работы при больших температурах, в связи с тем, что титанат бария - хрупкий керамический материал поликристаллической структуры.Significant disadvantages of this device are the lack of strength and solidity of the collector design and the inability to work at high temperatures, due to the fact that barium titanate is a brittle ceramic material with a polycrystalline structure.

Также известно устройство для подавления радиопомех (патент СССР №1050020, кл. Н01R 39/04, 1983) состоящее из соосного с коллектором диска («кольца») из диэлектрического материала, на котором в пределах рабочей поверхности коллектора диаметрально закреплены два контактных элемента. Они соединены с конденсатором, также установленным на диске. Диск прижат к рабочей поверхности коллектора аксиально расположенной цилиндрической пружиной, установленной на корпусе щеткодержателя. В диске имеются два прямоугольных отверстия, расположенных также диаметрально, сквозь которые проходят щетки.Also known is a device for suppressing radio interference (USSR patent No. 1050020, class H01R 39/04, 1983) consisting of a disk (“ring”) coaxial with the collector and made of dielectric material, on which two contact elements are diametrically fixed within the collector’s working surface. They are connected to a capacitor also mounted on the disk. The disk is pressed against the working surface of the collector by an axially arranged coil spring mounted on the brush holder body. The disk has two rectangular holes, also located diametrically, through which the brushes pass.

Существенным недостатком данного устройства является большая сложность электромеханической системы. Оно, в сущности, - это второй комплекс механической коммутации, который, в отличие от основного, не подает энергию сети в работающий в данный момент контур якоря, а снимает его коммутируемую энергию и передает ее в конденсатор с последующим возвратом и рассеянием на активном сопротивлении обмотки якоря. Конструктивно этот комплекс несоизмеримо менее совершенен, чем щеточно-коллекторный узел. Поэтому структурная надежность системы коммутации машины в целом от такого усложнения значительно снижается.A significant disadvantage of this device is the great complexity of the electromechanical system. It, in essence, is the second complex of mechanical switching, which, unlike the main one, does not supply the network energy to the armature circuit currently operating, but removes its switched energy and transfers it to the capacitor, followed by return and dissipation of the active resistance of the winding anchors. Structurally, this complex is incommensurably less perfect than the brush-collector assembly. Therefore, the structural reliability of the switching system of the machine as a whole from this complication is significantly reduced.

Наиболее близким по техническому содержанию является коллектор электрической машины (патент РФ №2319267, кл. H01R 39/04, 2006), состоящий из комплекта радиально установленных в изолированной сборочной конструкции коллектора токопроводящих пластин (ламелей) с изолирующими прокладками между ними, снабженный новой системой электрических конденсаторов. Их количество равно количеству коллекторных пластин, конденсаторы выполнены плоскими прямоугольной формы, каждый из них электрически соединен со смежными коллекторными пластинами. Указанные системы конденсаторов выполнены в виде установленного на якоре кольцевого коллекторного блока с формой тора прямоугольного сечения.The closest in technical content is the collector of an electric machine (RF patent No. 2319267, class H01R 39/04, 2006), consisting of a set of collector plates (lamellas) radially mounted in an insulated assembly structure with insulating spacers between them, equipped with a new electrical system capacitors. Their number is equal to the number of collector plates, the capacitors are flat rectangular in shape, each of them is electrically connected to adjacent collector plates. These capacitor systems are made in the form of an annular collector block mounted on an anchor with a rectangular torus shape.

Существенным недостатком данного устройства является невозможность нормальной безыскровой работы коллектора в режимах, отличных от штатного.A significant drawback of this device is the impossibility of normal sparkless operation of the collector in modes other than regular.

Задача предлагаемой полезной модели - повышение надежности работы двигателя постоянного тока за счет улучшения работы коллектора при скоростях вращения, отличающихся от номинальной.The objective of the proposed utility model is to increase the reliability of the DC motor by improving the collector at rotational speeds that differ from the nominal.

Поставленная задача достигается тем, что в коллекторе электрической машины, состоящем из комплекта радиально установленных в изолированной конструкции коллектора токопроводящих коллекторных пластин с межламельной изоляцией между ними, снабженный системой конденсаторов в количестве, равном количеству коллекторных пластин, согласно полезной модели, конденсаторы выполнены в виде комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов с переменной емкостью, которые установлены в защитные корпуса, выполненные в виде полых алюминиевых стаканов, закрытых с обеих сторон крышками из диэлектрика и размещенные в корпусе коллектора, при этом комплект варикапов установлен обоими выводами в шахматном порядке в полые цилиндрические изогнутые в двух плоскостях проводники в виде трубок и запаян в них, а трубки сплющенными концами припаяны к двум разным сторонам нижней грани одной коллекторной пластины.The problem is achieved in that in the collector of an electric machine, consisting of a set of conductive collector plates radially mounted in an insulated collector design with interlamellar insulation between them, equipped with a capacitor system in an amount equal to the number of collector plates, according to a utility model, the capacitors are made in the form of a set of different polarity , series-connected varicaps with variable capacity, which are installed in protective housings made in the form of hollow aluminum glass cups, closed on both sides by dielectric covers and placed in the collector body, while the set of varicaps is staggered into both hollow cylindrical bent in two planes in the form of tubes and sealed in them by both leads in a checkerboard pattern, and the tubes are soldered to two different ends with flattened ends sides of the lower edge of one collector plate.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведен эскиз коллектора с подключенными варикапами, на фиг.2 приведен поперечный разрез коллектора но линии, проходящей через варикапы, на фиг.3 приведен местный вид комплекта варикапов.The essence of the claimed utility model is illustrated by drawings. Figure 1 shows a sketch of the collector with connected varicaps, figure 2 shows a cross-section of the collector but the line passing through the varicaps, figure 3 shows a local view of a set of varicaps.

Коллектор с полупроводниковыми элементами содержит n коллекторных пластин 1 (фиг.1). Каждая коллекторная пластина 1, отделенная от соседней пластины межламельной изоляцией 2 (фиг.2), соединена с полыми цилиндрическими изогнутыми в двух плоскостях медными проводниками в виде трубок 3 (фиг.2). В защитный корпус 4 (фиг.3), представляющий из себя полый алюминиевый стакан (закрываемый с обоих сторон крышками 5 (фиг.3) из диэлектрика) вставлены полупроводниковые элементы - комплект варикапов в общем корпусе 6 (фиг.2 и 3). Комплект варикапов в общем корпусе 6 (фиг.2 и 3) обоими выводами вставлен в медные проводники 3 (фиг.2) и запаян в овальных отверстиях 7 (фиг.3) на медных проводниках 3 (фиг.2).The collector with semiconductor elements contains n collector plates 1 (figure 1). Each collector plate 1, separated from the neighboring plate by interlamellar insulation 2 (Fig. 2), is connected to hollow cylindrical bent in two planes copper conductors in the form of tubes 3 (Fig. 2). Semiconductor elements are inserted into the protective casing 4 (Fig. 3), which is a hollow aluminum cup (closed on both sides by lids 5 (Fig. 3) from a dielectric) - a set of varicaps in a common casing 6 (Figs. 2 and 3). A set of varicaps in a common housing 6 (FIGS. 2 and 3) is inserted into both copper conductors 3 (FIG. 2) and sealed in oval holes 7 (FIG. 3) on copper conductors 3 (FIG. 2).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Как известно, коммутация коллекторных машин постоянного тока улучшается при шунтировании межламельных промежутков коллектора емкостями (Сиунов Н.С., Ковылов Б.В. Влияние добавочной емкости на коммутацию тока. «Электромеханика», 1959, №6, стр.34-40;). Наибольшие потери при коммутации возникают, тогда когда щетка отходит от коммутируемой пластины на незначительное расстояние. В этом случае искровой промежуток появляется при потере касания сбегающего края щетки и уходящей из-под нее кромки коллекторной пластины. В нем начинает гореть дуга, питаемая энергией магнитного поля индуктивности L контура, перед этим замкнутого накоротко щеткой.As you know, commutation of DC collector machines improves when shunting inter-lamella gaps of a collector by capacitors (Siunov NS, Kovylov BV Influence of additional capacitance on current switching. "Electromechanics", 1959, No. 6, p. 34-40;) . The greatest losses during switching occur when the brush moves a short distance from the switched plate. In this case, the spark gap appears when you lose contact with the runaway edge of the brush and the edge of the collector plate leaving from under it. An arc begins to burn in it, fed by the energy of the magnetic field of the inductance L of the circuit, before which it is short-circuited by a brush.

При отсутствии конденсатора С_п почти вся эта энергия идет на поддержание и развитие дуги. Ее длина определяется потенциальными и кинематическими условиями работы коллектора. В штатных режимах она не должна превышать толщину межламельной изоляции 2 (фиг.2), хотя и при таких условиях дуга способствует ускоренному износу по электроэнергии и щеток, и, главное, рабочей поверхности коллектора. В нештатных режимах переходных процессов общего внезапного повышения межламельного напряжения дуга может неограниченно развиваться до возникновения тяжелых аварийных ситуаций - кругового огня по коллектору, переброса тока на корпус двигателя и т.п.In the absence of a capacitor C _n, almost all of this energy is spent on maintaining and developing the arc. Its length is determined by the potential and kinematic conditions of the collector. In normal conditions, it should not exceed the thickness of the inter-lamellar insulation 2 (figure 2), although even under such conditions, the arc contributes to accelerated wear of electricity and brushes, and, most importantly, the working surface of the collector. In abnormal transient conditions of a general sudden increase in inter-lamellar voltage, an arc can develop indefinitely until severe emergencies arise - round fire on the collector, current transfer to the motor housing, etc.

При шунтировании конденсатором С_П индуктивности L ее магнитная энергия уже не вся идет на питание дуги - часть ее в переходном процессе LC-энергообмена забирает конденсатор С_П образовавшегося LС_П-контура. В зависимости от емкости конденсатора С_П указанная часть коммутируемой энергии может быть большой. Этим достигается эффект интенсивного искрогашения на сбегающем крае щетки в стационарных штатных режимах работы машины и предупреждение опасного развития дуговых процессов на коллекторе в переходных нештатных.When the bypass capacitor C _P inductance L of its magnetic energy is no longer goes to the whole arc power supply - part of it in the transitional process LC-energy exchange takes capacitor C LC _P _P formed a contour. Depending on the capacitance of the capacitor C _{P, the} indicated part of the switched energy can be large. This achieves the effect of intense spark suppression on the runaway edge of the brush in stationary normal operating modes of the machine and the prevention of the dangerous development of arc processes on the collector in transient contingencies.

При работе машины в режимах, отличных от стационарного штатного режима, когда скорость вращения коллектора возрастает настолько, что конденсатор с постоянной емкостью не способен запасти всю магнитную энергию, оставшаяся энергия идет на поддержание и развитие дуги. При применении двух противоположно включенных варикапов в качестве конденсатора с переменной емкостью С_ПЕР можно добиться компенсации магнитной энергии в широком диапазоне изменения скорости. Последовательное встречное включение варикапов необходимо, так как варикап является конденсатором только при обратном приложенном к нему напряжении. Компенсация магнитной энергии в широком диапазоне достигается изменением напряжения на варикапе, при этом емкость варикапа изменяется (при увеличении напряжения емкость варикапа уменьшается за счет увеличения длины полупроводникового перехода). Можно подобрать варикап с такой вольт-фарадной характеристикой, чтобы исключить горение дуги при различных частотах вращения. При увеличении скорости вращения коллектора относительно щетки увеличивается скорость изменения тока, поэтому увеличивается ЭДС самоиндукции в цепи горения дуги. При увеличении напряжения на варикапе его емкость уменьшается, соответственно увеличивается ЭДС варикапа. Таким образом, ЭДС варикапа, направленная противоположно ЭДС самоиндукции, компенсирует ЭДС самоиндукции и уменьшает время горения дуги. Кроме того, размеры комплекта варикапов меньше чем размер обычного конденсатора, а емкость, создаваемая варикапов больше чем емкость обычного конденсатора, что особенно актуально в машинах малой мощности. Каждый комплект варикапов должен быть закрыт защитным корпусом 4 (фиг.3), который защищает варикапы при прессовке коллектора, а также эффективно отводит тепловой поток от варикапов.When the machine is operating in modes other than the stationary standard mode, when the rotation speed of the collector increases so that a capacitor with a constant capacity is not able to store all the magnetic energy, the remaining energy is used to maintain and develop the arc. When using two oppositely connected varicaps as a capacitor with a variable capacitance C _PER, it is possible to achieve compensation of magnetic energy over a wide range of velocity changes. Successive on-off switching of the varicaps is necessary, since the varicap is a capacitor only with the reverse voltage applied to it. Compensation of magnetic energy in a wide range is achieved by varying the voltage across the varicap, while the capacitance of the varicap changes (with increasing voltage, the capacitance of the varicap decreases due to an increase in the length of the semiconductor junction). You can choose a varicap with such a capacitance-voltage characteristic to exclude arc burning at different speeds. With an increase in the rotation speed of the collector relative to the brush, the rate of change of current increases, therefore the EMF of self-induction in the arc burning circuit increases. As the voltage across the varicap increases, its capacity decreases, and the EMF of the varicap increases accordingly. Thus, the EMF of a varicap directed opposite to the EMF of self-induction compensates for the EMF of self-induction and reduces the arc burning time. In addition, the size of the set of varicaps is smaller than the size of a conventional capacitor, and the capacity created by varicaps is larger than the capacity of a conventional capacitor, which is especially important in low-power machines. Each set of varicaps must be closed by a protective casing 4 (Fig. 3), which protects the varicaps when pressing the collector, and also effectively removes the heat flux from the varicaps.

Итак, в заявляемой полезной модели происходит компенсация магнитной энергии в широком диапазоне скорости вращения коллектора, за счет применения в качестве конденсатора, подключаемого между двумя соседними коллекторными пластинами 1 (фиг.1), комплекта разнополярных, последовательно включенных варикапов 6 (фиг.3), что повышает надежность работы двигателя постоянного тока за счет улучшения работы коллектора при скоростях вращения, отличающихся от номинальной.So, in the claimed utility model, the magnetic energy is compensated over a wide range of collector rotation speeds, due to the use of a set of different-polarity, series-connected varicaps 6 (Fig. 3) as a capacitor connected between two adjacent collector plates 1 (Fig. 1), which increases the reliability of the DC motor by improving the collector at rotational speeds that differ from the nominal.

Claims

The collector of an electric machine, consisting of a set of conductive collector plates radially mounted in an insulated collector design with interlamellar insulation between them, equipped with a capacitor system in an amount equal to the number of collector plates, characterized in that the capacitors are made in the form of a set of bipolar, series-connected varicaps with variable capacitance which are installed in protective housings made in the form of hollow aluminum cups closed on both sides by lids both of the dielectric and placed in the collector case, while the set of varicaps is staggered into both hollow cylindrical bent in two planes wires in the form of tubes and sealed in them, and the tubes with tapered ends are soldered to two different sides of the lower edge of one collector plate .