Влияние применения реактивного щёткодержателя на снижение износа щёток и уровень радиопомех
Снижение износа щёток в коллекторных электрических машинах переменного тока
Методика определения оптимального положения щёток в коллекторных машинах переменного тока
Как известно, износ щёток зависит от уровня искрения. Одним из способов снижения искрения в машинах постоянного и переменного тока является смещение щёток с геометрической нейтрали [1п]. В коллекторных машинах переменного тока этот способ имеет ограниченное применение, т.к. в большинстве случаев щёткодержатели жёстко установлены в корпусе. Для таких машин нами разработана методика определения оптимального положения щёток за счёт смещения магнитной системы (щётки находятся в штатном положении). Для этого проводится расточка корпуса, на котором расположены щёткодержатели, чтобы можно было смещать относительно него магнитную систему по и против направления вращения якоря с фиксацией магнитной системы в корпусе (рис.4.1).
Рис. 4.1 – МШУ-2,2-230 с возможностью смещения магнитной системы
1 – направляющий болт; 2 – корпус.
При различных положениях магнитной системы снимаются рабочие характеристики с оценкой искрения под сбегающим краем щёток в соответствии с ГОСТ Р51318.14.1-2006. После нахождения оптимального положения магнитной системы, соответствующего минимальному искрению, проводится смещение коллектора в необходимом направлении за счёт изменения его ориентации относительно центра паза якоря или изменения порядка подсоединения секций к коллекторным пластинам (рис. 4.2).
|
|
|
Проверка методики проводилась на коллекторных двигателях переменного тока привода угловых шлифовальных машин мощностью 1,8 (МШУ-1,8-230 с номинальной частотой вращения 14000 об/мин), 2 кВт (МШУ-2-230П с номинальной частотой вращения 20000 об/мин), 2,4 кВт (МШУ-2,4-230М с номинальной частотой вращения 18000 об/мин). После определения оптимального положения магнитной системы, были изготовлены опытные якоря, обеспечивающие смещение щёток по и против направления вращения (за счёт переподсоединения секций). Снимались рабочие характеристики, определялся уровень искрения и уровень радиопомех по мощности и напряжению.
Рис. 4.2 - Улучшение коммутации за счёт смещения щёток
а) щётки на геометрической нейтрали;
б) смещение щёток по направлению вращения на 1 коллекторное деление;
в) смещение щёток по направлению вращения на 1 коллекторное деление за счёт переподсоединения секций;
г) смещение щёток по направлению вращения на 1 коллекторное деление за счёт сдвига коллектора относительно центра паза якоря против направления вращения.
В двигателе мощностью 1,8 кВт минимальное искрение было получено при смещении щёток на 1 коллекторное деление по направлению вращения (искрение в номинальном режиме меньше, чем при штатном положении щёток на 1 балл). Смещение щёток по направлению вращения привело к уменьшению частоты вращения за счёт подмагничивания магнитной системы продольной составляющей реакции якоря. Это ухудшило охлаждение, и двигатель стал перегреваться (табл. 4.1). Для устранения перегрева была рассмотрена возможность увеличения частоты вращения за счёт снятия 5 витков с каждого полюса.
|
|
|
Для исследования было взято три угловых шлифовальных машины МШУ-1,8-230, у которых были сняты рабочие характеристики и уровень радиопомех (табл. 4.2, 4.3, 4.4). Затем были проведены испытания на нагревание, в которых измерялись: перегрев обмотки возбуждения, перегрев обмотки якоря, нагрев коллектора и частота вращения при постоянной потребляемой мощности 2000 Вт (табл. 4.1а). После испытаний на нагревание у штатных двигателей были заменены якоря на якоря со смещением щёток за счёт переподсоединения секций к коллектору по рис. 4.1в, уменьшено число витков обмотки возбуждения (85 вместо 90), снят уровень радиопомех по мощности и напряжению (табл. 4.3, 4.4), сняты рабочие характеристики и проведена оценка перегревов (табл. 4.1б).
|
|
|
Как показали исследования, применение в двигателе угловой шлифовальной машины МШУ-1,8-230 обмотки возбуждения с числом витков в катушке 85 вместо 90 возможно при смещении щёток по направлению вращения. Это приводит к восстановлению характеристик до исходного значения с некоторым повышением cosj, уровень искрения остаётся без изменения и соответствует случаю, когда щётки установлены на геометрической нейтрали (табл. 4.2). Уровень радиопомех несколько увеличился на 6 дБ при частоте 22 МГц (табл 4.3, 4.4).
Работа внедрена в серийное производство на АО «Лепсе». Годовой экономический эффект, подтверждённый предприятием, составил 2,7 млн. руб. (2006г) за счёт экономии на материале обмоточного провода. Получен акт внедрения в серийное производство на АО «Лепсе» г. Киров [Приложение V].
В таблице 4.5 представлены рабочие характеристики двигателя мощностью 2 кВт привода угловой шлифовальной машины МШУ-2-230П (с номинальной частотой вращения двигателя 20000 об/мин). Смещение щёток против направления вращения на 1 коллекторное деление позволило снизить искрение по всем режимам на 1 балл. Уровень радиопомех по сети и по мощности отличается незначительно и находится в пределах погрешности измерений (табл. 4.6, 4.7). Предлагаемая модернизация внерена в серийное производство, нолучен акт о внедрении в серийное производство на АО «Лепсе» г. Киров [Приложение VI].
|
|
|
У коллекторных двигателей переменного тока мощностью 2,4 кВт минимальное искрение наблюдалось в случае смещения щёток на 0,2 коллекторных деления по направлению вращения.
Таким образом, в результате проведённых исследований доказана возможность определения оптимального положения щёток в коллекторных машинах переменного тока за счёт смещения магнитной системы в корпусе. Доказана возможность снижения искрения в некоторых случаях за счёт смещения с геометрической нейтрали по направлению вращения при постоянном тормозном моменте с улучшением технико-экономических показателей за счёт использования подмагничивающего эффекта продольной реакции якоря.
Таблица 4.1 - Усреднённые значения перегревов трёх двигателей привода МШУ-1,8-230 при постоянной потребляемой мощности 1800 Вт
| Условия опыта | Серийн ый двигатель | Смещение щёток на 1 коллекторное деление по направлению вращения |
| Перегрев обмотки возбуждения, °С | 74±2a | 77±3 |
| 65б | 70 | |
| Перегрев обмотки якоря, °С | 78±4 | 82±8 |
| 75±3 | 75±6 | |
| Нагрев коллектора, °С | 116±4 | 119±5 |
| 106±6 | 115±6 |
аверхняя строка – катушка обмотки возбуждения 90 витков (как у серийной машины);
бнижняя строка – катушка обмотки возбуждения 85 витков
Таблица 4.2 - Рабочие характеристики МШУ 1.8-230
| Характеристика | Значение | |||||
| P1, Вт | 670 | 1000 | 1340 | 1520 | 1730 | 1800 |
| P1*, Вт | 642 | 930 | 1320 | 1510 | 1700 | 1800 |
| I, A | 2.63 | 4.75 | 6.5 | 7.5 | 8.7 | 9.3 |
| I*, А | 2.5 | 4.4 | 6.5 | 7.5 | 8.6 | 9.1 |
| n, об/мин | 21557 | 17170 | 15262 | 14598 | 14048 | 13487 |
| n*, об/мин | 21354 | 17018 | 14834 | 14111 | 13111 | 12786 |
| A(искрение), балл | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| A*(искрение), балл | 2 | 1 ½ | 1 ½ | 2 | 2 | 2 |
| cosj | 0.99 | 0.96 | 0.94 | 0.92 | 0.90 | 0.88 |
| cosj* | 0.99 | 0.96 | 0.92 | 0.92 | 0.90 | 0.90 |
| КПД* / КПД | 1.03 | 1.07 | 0.99 | 0.97 | 0.95 | 0.95 |
*-значения при смещении щёток на 1 коллекторное деление по направлению вращения, число витков обмотки возбуждения 85.
Таблица 4.3 - Уровень радиопомех по напряжению МШУ-1,8-230
| Частота, МГц | Уровень радиопомех по ГОСТ Р51318.14.1-2006, дБ | Уровень радиопомех серийного двигателя, дБ | Уровень радиопомех при смещении щёток по рис. 1в, число витков обмотки возбуждения Ws=85, дБ |
| 0,16 | 75,44 | 47 | 50 |
| 0,24 | 72,1 | 51 | 50 |
| 0,55 | 69 | 43 | 45 |
| 1,0 | 69 | 36 | 36 |
| 1,4 | 69 | 39 | 36 |
| 2,0 | 69 | 40 | 38 |
| 3,5 | 69 | 36 | 43 |
| 6,0 | 74 | 42 | 40 |
| 10 | 74 | 45 | 42 |
| 22 | 74 | 27 | 30 |
| 30 | 74 | 27 | 30 |
Таблица 4.4 - Уровень радиопомех по мощности МШУ-1,8-230
| Частота, МГц | Уровень радиопомех по ГОСТ Р51318.14.1-2006, дБ | Уровень радиопомех серийного двигателя, дБ | Уровень радиопомех при смещении щёток по рис. 1в, число витков обмотки возбуждения Ws=85, дБ |
| 30 | 55 | 37,4 | 38..41 |
| 45 | 55,6 | 34,4 | 42 |
| 65 | 56,3 | 43,4 | 42 |
| 90 | 57,2 | 36,4 | 34..37 |
| 150 | 59,5 | 33,9 | 40..43 |
| 180 | 60,6 | 30,5 | 36..38 |
| 220 | 62,1 | 28,1 | 27..29 |
| 300 | 65 | 28,8 | 26 |
Таблица 4.5 - Рабочие характеристики МШУ-2-230П
| № п/п | Условия опыта | Характеристики | ||||
| М, кгс∙см | I, А | Р1, кВт | n, об/мин | Уровень искрения, балл | ||
| 1 | Серийный двигатель | 0 | 4,5 | 0,96 | 21000 | 2 |
| 2 | Смещение щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения. | 5,3 | 1,12 | 22930 | 1 ½ | |
| 3 | Серийный двигатель | 10 | 6,8 | 1,4 | 18930 | 2 |
| 4 | Смещение щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения. | 6,9 | 1,48 | 20400 | 1 ½ | |
| 5 | Серийный двигатель | 20 | 8,7 | 1,8 | 17480 | 1 ½ |
| 6 | Смещение щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения. | 9 | 1,9 | 18490 | 1 ¼ | |
| 7 | Серийный двигатель | 30 | 10,7 | 2,2 | 16210 | 2 |
| 8 | Смещение щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения. | 11 | 2,3 | 17070 | 1 ½ | |
Таблица 4.6 - Уровень радиопомех по напряжению МШУ-2-230П
| Частота, МГц | Уровень радиопомех по ГОСТ Р51318.14.1-2006, дБ | Уровень радиопомех серийного двигателя, дБ | Уровень радиопомех при смещении щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения, дБ |
| 0,16 | 70 | 55 | 53 |
| 0,24 | 66 | 48 | 46 |
| 0,55 | 60 | 45 | 45 |
| 1,0 | 59 | 46 | 46 |
| 1,4 | 58 | 40 | 40 |
| 2,0 | 57 | 34 | 30 |
| 3,5 | 56 | 32 | 32 |
| 6,0 | 52 | 39 | 40 |
| 10 | 52 | 40 | 40 |
| 22 | 52 | 26 | 26 |
| 30 | 52 | 12 | 10 |
Таблица 4.7 - Уровень радиопомех по мощности МШУ-2-230П
| Частота, МГц | Уровень радиопомех по ГОСТ Р51318.14.1-2006, дБ | Уровень радиопомех серийного двигателя, дБ | Уровень радиопомех при смещении щёток на 1 коллекторное деление против направления вращения, дБ |
| 30 | 55 | 39,4 | 39,4 |
| 45 | 55,6 | 39,4 | 39,4 |
| 65 | 56,3 | 39,4 | 40,4 |
| 90 | 57,2 | 28,4 | 29,4 |
| 150 | 59,5 | 38,9 | 40,9 |
| 180 | 60,6 | 30,5 | 31,5 |
| 220 | 62,1 | 27,1 | 28,1 |
| 300 | 65 | 28,8 | 28,8 |
Влияние применения реактивного щёткодержателя на снижение износа щёток и уровень радиопомех
На износы щёток и уровень радиопомех активное влияние оказывает состояние механики контакта щётка-коллектор. При плохом механическом контакте из-за неустойчивой работы щётки возникает дуга подъёма, которая приводит к повышенному износу щёток. Это особенно актуально для электрических машин, у которых имеется две щётки. Для улучшения механики контакта щётка-коллектор нами разработана конструкция щёточно-коллекторного узла, в котором радиальная щётка смещается по направлению вращения коллектора параллельно исходному положению на половину тангенциального размера щётки [5]. Установка щёток на нейтраль в этом случае достигается путём смещения коллектора относительно магнитной системы якоря на величину смещения щётки (в обратном направлении).
На рисунке 4.3 представлена конструкция радиального щёткодержателя, на рисунке 4.4 – модернизированного. В случае применения радиального щёткодержателя на набегающий край щётки будет действовать сила F по касательной от выступающих пластин коллектора, которая может быть разложена на две составляющие F1 и F2. Сила F1 отрывает щётку от коллектора, а сила F2 прижимает её к щёткодержателю.
В предложенной конструкции (рис. 4.4) сила F1 будет отсутствовать, что обеспечивает большую стабильность контакта щётка-коллектор. Проверка эффективности модернизированного щёткодержателя была проведена на опытных образцах, изготовленных ОАО «Лепсе» г.Киров на базе коллекторного двигателя переменного тока мощностью 2,2 и 2 кВт (МШУ-2,2-230 и МШУ-2-230П). Компенсация сдвига щёток проводилась за счёт смещения коллектора относительно магнитной системы якоря. Опыты проводились как на продороженном, так и непродороженном коллекторах. В таблице 4.9 приведены рабочие характеристики в случае применения радиального и модернизированного щёткодержателя на продороженном коллекторе. В таблицах 4.10, 4.11 приведены уровни сетевых и полевых радиопомех при испытаниях коллекторного двигателя переменного тока мощностью 2 кВт (МШУ-2-230П).
| Рисунок 4.3 – Радиальный щёткодержатель | Рисунок 4.4 – Модер-низированный щёткодержатель | |
| 1 – продороженный коллектор 2 – коллекторные пластины 3 – токоведущая щётка 4 - щёткодержатель |
Таблица 4.9 – Рабочие характеристики МШУ-2-230П
| №№ п/п | Условия опыта | Характеристики | ||||||
| М, кгс∙ см | Р1, кВт | I, А | n, об/ мин | cosj | КПД | Искрение щёток (индикатор искрения), балл | ||
| 1. | Радиальный щёткодержатель | 0 | 1,07 | 5 | 6270 | 0,973 | 0 | 1 ½ |
| 2. | Модернизированный щёткодержатель | 0,98 | 4,6 | 5978 | 0,968 | 0 | 1 ½ | |
| 3. | Радиальный щёткодержатель | 10 | 1,5 | 7,2 | 5492 | 0,947 | 38 | 1 ½ |
| 4. | Модернизированный щёткодержатель | 1,4 | 6,5 | 5369 | 0,979 | 39 | 1 ½ | |
| 5. | Радиальный щёткодержатель | 20 | 1,95 | 9,4 | 5038 | 0,943 | 53 | < 1 ½ |
| 6. | Модернизированный щёткодержатель | 1,8 | 8,6 | 4994 | 0,951 | 57 | 1 ½ | |
| 7. | Радиальный щёткодержатель | 30 | 2,4 | 11,6 | 4700 | 0,940 | 60 | < 2 |
| 8. | Модернизированный щёткодержатель | 2,2 | 10,8 | 4559 | 0,926 | 64 | 1 ½ | |
Таблица 4.10 - Уровень радиопомех по сети МШУ-2П-230
| 0,16 | 0,24 | 0,55 | 1,0 | 1,4 | 2,0 | 3,5 | 6,0 | 10 | 22 | 30 | ||
| По ГОСТ Р51318.14.1-99 | 70 | 66 | 60 | 59 | 58 | 57 | 56 | 52 | 52 | 52 | 52 | ||
| Радиальный щёткодержатель | 57 | 52 | 53 | 54 | 49 | 39 | 34 | 43 | 48 | 32 | 23 | ||
| Модернизированный щёткодержатель | 50 | 44 | 42 | 44 | 38 | 29 | 25 | 33 | 44 | 9 | 7 |
Таблица 4.11 - Уровень радиопомех по мощности МШУ-2П-230
| 30 | 45 | 65 | 90 | 150 | 180 | 220 | 300 | ||
| По ГОСТ Р51318.14.1-99 | 55 | 55,6 | 56,3 | 57,2 | 59,5 | 60,6 | 62,1 | 65 | ||
| Радиальный щёткодержатель | 41,4 | 33,4 | 45,4 | 33,4 | 31,9 | 36,5 | 24,1 | 25,8 | ||
| Модернизированный щёткодержатель | 40 | 32,4 | 43 | 32 | 30 | 34 | 23 | 23 |
Во всех случаях наблюдается снижение уровня сетевых радиопомех. Применение модернизированного щёткодержателя привело к увеличению ресурса щёток на 35%. Вместе с этим наблюдается снижение износа щёток
В таблицах 4.12, 4.13 приведены результаты аналогичных исследований, проведённых на МШУ-2,2-230, когда использовались продороженные якоря. По большинству частот наблюдается снижение полевых и сетевых радиопомех. В случае применения непродороженного коллектора, радиопомехи остаются неизменными. Что подтверждает наличие активного влияния смещения щёткодержателей на стабильность работы щёточного контакта.
На МШУ-2,4-230М за счёт повышенной вибрации со стороны редуктора наблюдалась нестабильность радиопомех по мощности и напряжению. Применение смазывающих щёток, а затем смещённых щёткодержателей привело к стабильности радиопомех в соответствии с ГОСТ (отклонение стрелки прибора для замера радиопомех должно быть не более 2 дБ).
Таблица 4.12 – Уровень сетевых радиопомех МШУ-2,2-230
|
| 0,16 | 0,24 | 0,55 | 1 | 1,4 | 2 | 3,5 | 6 | 10 | 22 | 30 | ||
| По ГОСТ Р51318.14.1-99 | 70 | 66 | 60 | 59 | 58 | 57 | 56 | 52 | 52 | 52 | 52 | ||
| Радиальный щёткодержатель | 44 | 44 | 37 | 31 | 33 | 36 | 42 | 40 | 43 | 33 | 34 | ||
| Модернизированный щёткодержатель | 44 | 44 | 37 | 31 | 33 | 31 | 32 | 36 | 33 | 22 | 22 |
Таблица 4.13 – Уровень полевых радиопомех МШУ-2,2-230
|
| 30 | 45 | 60 | 90 | 150 | 180 | 220 | 300 | ||
| По ГОСТ Р51318.14.1-99 | 55 | 55,6 | 56,3 | 57,2 | 59,5 | 60,6 | 62,1 | 65 | ||
| Радиальный щёткодержатель | 45,4 | 44,4 | 39,4 | 43,3 | 36,9 | 37,5 | 34,1 | 24,9 | ||
| Модернизированный щёткодержатель | 36,4 | 37,4 | 39,4 | 28,4 | 25,9 | 21,5 | 20,1 | 21,8 |
Таким образом, применение модернизированного щёткодержателя, смещенного по направлению вращения коллектора параллельно своему радиальному положению на величину равную половине ширины щётки, улучшает механику контакта щётка-коллектор снижая износы щёток и уровень радиопомех. Получен акт промышленных испытаний угловой шлифовальной машины МШУ-2,4-230М в случае применения смазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена и смещения токовых щёткодержателей по направлению вращения на 0,2 коллекторных дёления.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 32; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!