Разработка и моделирование катящегося токосъема для коллекторных машин постоянного тока
Диссертация
Проведен анализ коммутационной проблемы. В процессе анализа рассмотрены физические механизмы протекания коммутационного процесса, приведены известные способы его улучшения. В результате проведенного анализа предложено заменить в машинах постоянного тока скользящий способ токосъема, имеющий ряд недостатков, во многом обуславливающих коммутационные проблемы, на катящийся токосъем. Главным фактором… Читать ещё >
Содержание
- 1. Анализ коммутационной проблемы в машинах постоянного тока и существующих способов ее решения
- 1. 1. Сущность процесса коммутации
- 1. 2. Теоретический аспект коммутационного процесса
- 1. 2. 1. Классическая теория коммутации
- 1. 2. 2. Основные положения теории О. Г. Вегнера
- 1. 2. 3. Теория оптимальной коммутации
- 1. 3. Критерий оптимальности условий коммутации
- 1. 4. Неидентичность коммутационного процесса как основа проблемы настройки машин постоянного тока
- 1. 5. Передача тока через скользящий контакт
- 1. 5. 1. Физические особенности скользящего токосъема
- 1. 5. 2. Влияние щеточного контакта на снижение степени неидентичности коммутационного процесса
- 1. 5. 3. Подверженность вольтамперных характеристик скользящего контакта воздействию различных факторов
- 1. 6. Пути настройки коммутации. Применение составных щеток
- 1. 7. Выводы
- 2. Теоретическое исследование коммутационного процесса в машине постоянного тока с катящимся токосъемом
- 2. 1. Критический анализ существующих конструкций катящегося токосъема
- 2. 2. Предложение нового конструктивного решения токосъемного устройства с использованием катящегося контакта
- 2. 2. 1. Прототип токосъемного устройства для машин постоянного тока с использованием контакта качения
- 2. 2. 2. Описание нового технического решения токосъемного устройства для машин постоянного тока с использованием контакта качения
- 2. 3. Особенности катящегося токосъема
- 2. 4. Требования к вольтамперной характеристике «щетки» при катящемся токосъеме
- 2. 5. Аппроксимация вольтамперной характеристики «щетки»
- 2. 6. Математическое моделирование основных закономерностей коммутационного процесса в машине постоянного тока с катящимся токосъемом
- 2. 6. 1. Допущения, принятые в математической модели на первом этапе исследований
- 2. 6. 2. Модель движения коллектора и роликовых контактов
- 2. 6. 3. Схема замещения коммутируемого контура
- 2. 6. 4. Сопротивление контактов «щетка"-ролики в функции времени
- 2. 6. 5. Решение уравнения коммутации
- 2. 7. Влияние различных факторов на форму кривой тока и величину тока разрыва сбегающего края «щетки»
- 2. 8. Выводы
- 3. Математическая модель коммутационного процесса, учитывающая конструктивные особенности нового токосъемного устройства
- 3. 1. Применение в новом токосъемном устройстве составной «щетки»
- 3. 2. Определение необходимых конструктивных параметров нового токосъемного устройства, обеспечивающих его работоспособность
- 3. 3. Математическая модель коммутационного процесса с учетом конструктивных параметров токосъемного устройства
- 3. 3. 1. Переход к относительным величинам
- 3. 3. 2. Учет траекторий движения центров роликов и поверхности коллектора
- 3. 3. 3. Геометрическое преобразование системы взаимодействующих между собой элементов конструкции токосъемного устройства и задание их нумерации
- 3. 3. 4. Введение системы координат
- 3. 3. 5. Логическая функция наличия катящегося контакта между «щеткой» и коллекторной пластиной
- 3. 3. 6. Функция сопротивления контакта «щетки» с ламелью
- 3. 3. 7. Система уравнений процесса коммутации
- 3. 4. Анализ уточненной математической модели
- 3. 5. Конструктивные и функциональные преимущества применения катящегося токосъема в машине постоянного тока
- 3. 6. Выводы
- 4. Макет токосъемного устройства
- 4. 1. Предварительная обработка коллектора
- 4. 2. Учет оптимальных соотношений в макете токосъемного устройства
- 4. 2. 1. Проверка роликов на нагрев
- 4. 2. 2. Выбор количества роликов и составных элементов «щетки»
- 4. 3. Выбор сопротивлений составных элементов «щеток». Математическое моделирование коммутационного процесса для выбранных параметров токосъемного устройства
- 4. 4. Разработка элементов конструкции токосъемного устройства
- 4. 5. Установка «щеток» на геометрической нейтрали
- 4. 6. Экспериментальная установка
- 4. 7. Испытания макетного образца токосъемного устройства
- 4. 8. Дальнейшие направления исследований катящегося токосъема
- 4. 9. Выводы
Список литературы
- ККостенко М. П. Электрические машины: Т. 1 / М. П. Костен-к о, JT. М. П и о т р о в с к и й. Л.: Энергия, 1972. 544 с.
- Вольдек А. И. Электрические машины / А. И. В о л ь д е к. Л.: Энергия, 1974. 839 с.
- Копылов И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. М.: Логос, 2000. 607 с.
- Девликамов Р. М. Повышение эксплуатационной надежности коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей электроподвижного состава железных дорог: Автореф. дис. канд. тех. наук. Ростов-на-Дону, 2007.
- Пат. 19 859 006 Германия, МКИ Н 01 R 39/06. Anker mit Plankommutator fur einen Elektromotor / I. R i с h t e r, A. Gerhard, C. A s t- Robert Bosch GmbH.-№ 198 590 067- Заявлено 21.12.1998- Опубл. 29.06.2000.
- Пат. 19 926 900 Германия, МКИ Н01 R 43/06, Н01 R 39/04. Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators und nach diesem Verfahren hergestellter Kommutator / К о n i g Eckhard- ICirkwood Ind. GmbH. № 19 926 900.9- Заявлено 12.06.1999- Опубл. 21.12.2000.
- Пат. 5 895 994 США, МКИ Н 02 К 3/34. Dynamoelectric machine/ Т. Molnar David, К. Hollenbeck Robert- General Electric Co. — № 08/829 734- Заявлено 31.03.1997- Опубл. 20.04.1999.
- П.Высоцкий В. Е. Вентильные двигатели с искусственной коммутацией (Теория, разработка, исследование, использование в электроприводе): Ав-тореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2005.
- Битюцкий И. Б. Новые методы расчета и наладки коммутации машин постоянного тока / И. Б. Битюцкий. Новочеркасск: Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика», 2003. 226 с.
- Важнов А. И. Электрические машины / А. И. В, а ж н о в. Д.: Энергия, 1968. 768 с.
- Ермолин Н. П. Электрические машины / Н. П. Ермолин. М.: Высшая школа, 1975. 296 с.
- Electromagnetic emissions from electrical rotating machinery/ P. Ferrari, A. Mariscotti, A. Motta, P. Pozzobon // IEEE Trans. Energy Convers. 2001. — 16, № 1. — C. 68−73.
- Григорьев P. В. Обеспечение качественной электромагнитной совместимости машин постоянного тока малой мощности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Томск, политехи, ун-т, Томск, 2000. 21 с.
- Толкунов В. П. О критерии коммутационной напряженности машин постоянного тока / В. П. Т о л к у н о в, Н. Ф. О з е р н о й, Ж. А. К и р е е в, а // Вопросы электротехники: Вестник Харьковского политехнического института. 1976. Выпуск 1. № 116. С. 3−6.
- Т о л к у н о в В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока / В. П. Толкунов. М.: Энергия, 1979. 224 с.
- Рихтер Р. Электрические машины: Т. 1 / Р. Рихтер. М.- Л.: ОНТИНКТП СССР, 1935. 598 с.
- В е г н е р О. Г. Теория и практика машин постоянного тока / О. Г. В е г н е р. М.: Госэнергоиздат, 1961. 272 с.
- С е ч и н В. И. К вопросу о подборе щеток для электрических машин с затрудненными условиями коммутации / В. И. Сечин// Материалы IV Всесоюзной конференции по коммутации электрических машин / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1969. С. 24−27.
- Карасев М. Ф. Основная причина искрения щеток машин постоянного тока / М. Ф. К, а р, а с е в, В. Н. К о з л о в, В. И. Тимошина// Коммутация машин постоянного тока: Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1970. Т. 112. Выпуск 1. С. 5−12.
- Кар ас ев М. Ф. Коммутация машин постоянного тока / М. Ф. Карасев. М., Госэнергоиздат, 1955, 143 с.
- Карасев М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока / М. Ф. Карасев. M.-JL, Госэнергоиздат, 1961, 224 с.
- К, а р, а с е в М. Ф. Оптимальная коммутация машин постоянного тока / М. Ф. К, а р, а с е в, В. П. Б е л я е в, В. Н. К о з л о в и др. М.: Транспорт, 1967. 180 с.
- Дальнейшее развитие теории оптимальной коммутации машин постоянного тока: Науч. тр. / М. Ф. К, а р, а с е в, В. П. Б е л я е в, В. Н. К о з л о в и др. // Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1967. Т. 78. 176 с.
- Сечин В. И. Теоретическое исследование коммутации на основе аппроксимации вольт-амперных характеристик щеточного контакта: Автореф. дис. канд. техн. наук. Омск, 1968. 23 с.
- К, а р, а с е в М. Ф. Ответ на замечания О. Г. Вегнера по книге автора Коммутация машин постоянного тока / М. Ф. Карасев// Труды Омского института инженеров железнодорожного транспорта / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1962. Т. 37. С. 5−12.
- Александров Н. В. Уточнение классической теории коммутации /Н. В. Александров// Тр. науч.-исслед. ин-та з-да «Электротяжмаш». 1971. Вып. 2. С. 248−264.
- Кузнецова Е. М. Некоторые закономерности процесса коммутации при множественном щеточном перекрытии / Е. М. Кузнецова// Вопросы коммутации машин постоянного тока: Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1969. Т. 102. Выпуск 3. С. 3−10.
- Альтшулер И. Б. Новый критерий оценки коммутационной надежности машин постоянного тока / И. Б. Альтшулер, В. П. Толкунов, В. И. Белошенкои др. // Крупные машины постоянного тока: Труды НИИ завода «Электротяжмаш». Харьков, 1971. Выпуск 3. С. 56−62.
- Фетисов В.В. Машины постоянного тока средней и большой мощности: Учеб. пособие / В.В. Ф е т и с о в, Г. А. Д, а в и д ч у к. Ленинградский гос. тех. ун-т. Л., 1992. С. 79−80.
- Вопросы коммутации машин постоянного тока: Науч. тр. / Омский инт инж. ж.-д. трансп. Омск, 1969. Т. 102. Выпуск 1. С. 22−26.
- Коммутация в тяговых электродвигателях и других коллекторных машинах: Науч. тр. / Карасев М. Ф., Авилов В. Д., Беляев В. П. и др. // Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1974. Т. 155. 98 с.
- Авилов В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока / В. Д. Авилов. М.: Энергоатомиздат, 1995. 237 с.
- Авилов В. Д. Проблема контроля геометрии магнитной цепи и оптимизация параметров по состоянию коммутации ТЭД / В. Д. Авилов,
- B. П. Беляев, В. Г. Гартмани др. // Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта: Тезисы докладов научно-технической конференции / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1991.1. C. 104−105.
- Идиятуллин Р. Г. Надежность тяговых электрических машин / Р. Г. Идиятуллин. Ташкент: Мехнат, 1987. 150 с.
- JI и в ш и ц П. С. Скользящий контакт электрических машин / П. С. Лившиц. М.: Энергия, 1974. 272 с.
- Ш к р е б, а В. Ф. Повышение коммутационной надежности машин постоянного тока с двухходовой обмоткой якоря: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1983.
- Радзишевский Ю. А. Особенности работы многоходовых петлевых обмоток якорей машин постоянного тока: Автореф. дис. канд. техн. наук. Харьков, 1973. 23 с.
- Альтшулер И. Б. Теоретическое и экспериментальное исследование некоторых специальных якорных обмоток крупных прокатных электродвигателей постоянного тока большой и предельной мощности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Харьков, 1971. 25 с.
- Wirkungsweise von Gleichstrommaschinen: Ausgleichsverbinder bei Wel-lenwicklungen. Teil IV / G. К u n z e // Elek. Masch. 2000. — 79, № 10. — С. 10−17, 14−15.
- Битюцкий И. Б. К расчету коммутации машин постоянного тока с пазовыми демпферами: Автореф. дис. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1966. 20 с.
- К, а ч и н С. И. Высокоиспользованные коллекторные машины малой мощности: Автореф. дис. докт. техн. наук. Томск, 2002. 43 с.
- Гост 10 159 79. Машины электрические постоянного тока. Методы испытаний. М., 1979. 14 с.
- Пат. 33 503 Украина, МКИ Н 02 К 13/14. Cnoci6 визначення меж зони без1скрово1 робота колекторних електричних машин постшного струму / О. Б. I в, а н о в, О. С. Б е ш т а, А. А. Колб- Нац. rip. акад. Укр. № 9 031 184- Заявлено 03.03.1999- Опубл. 15.02.2001.
- Карасев М. Ф. Настройка дополнительных полюсов машин, работающих в переходных режимах / М. Ф. Карасев, В. Д. Авилов,
- B. В. Из о т о в. и др. // Коммутация коллекторных электрических машин: Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1973. Т. 144. С. 16−31.
- Калинин М. С. Расчет и наладка коммутации машин постоянного тока на основе новых инструментальных средств моделирования и управления: Автореф. дис. канд. техн. наук. Воронеж, гос. техн. ун-т, Воронеж, 2004. 18 с.
- Ankerruckwirkung und Kommutierung in Gleichstrommaschinen. Teil I. Tipps fur die Instandsetzung / G. К u n z e // Elek. Masch. 2002. — 81, № 9.1. C. 18−19,21−25.
- Kommutierung in Gleichstrommaschinen: Teil II / Schluss Tipps fur die Instandsetzung / G. К u n z e // Elek. Masch. 2002. — 81, № 10. — C. 20−24.
- Пат. 2 251 780 Россия, МКИ H 02 К 13/14, Н 02 Р 5/418. Устройство формирования коммутирующего поля электрической машины / И. Б. Битюцкий, М. С. Калинин, А. В. Требунцов (Россия). № 2 003 115 155/09- Заявлено 21.05.2003. Опубл. 10.05.2005. Бюл. № 13.
- Пат. 2 250 549 Россия, МКИ Н 02 К 13/14, G01R31/34. Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока /
- И. Б. Битюцкий, А. И. Котов, А. В. Требунцов (Россия). № 2 003 115 154/09- Заявлено 21.05.2003. Опубл. 20.04.2005. Бюл. № 11.
- Битюцкий И. Б. Постановка задачи синтеза независимой коммутирующей системы однофазного коллекторного двигателя / И. Б. Битюцкий// Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 1. С. 24−27.
- Харламов В.В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока / В. В. Харламов. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 233 с.
- С о л д, а т к и н А. В. Повышение коммутационной устойчивости тяговых электрических машин за счет совершенствования технологии ремонта коллекторов: Автореф. дис. канд. тех. наук. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004.
- Антипов В. Н. Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний щеткодержателей с рулонной пружиной постоянного давления /
- В.Н. Антипов, В. И. Мельник// Вопросы повышения коммутационной способности машин постоянного тока: Сб. науч. тр. / Всесоюзный научно-исследовательский ин-т электромашиностроения. JL, 1982. С. 113−122.
- А.с. 1 472 978 СССР, МКИ HOI R 39/18. Коллекторно-щеточный узел электрической машины / М. Ф. Хлыстов, С. М. Хлыстов (СССР). -№ 4 230 926/24−07- Заявлено 17.04.1987. Опубл. 15.04.1989. Бюл. № 14.
- А.с. 15 091 1 СССР, МКИ Н 02 К 13/10. Щеточно-коллекторный узел электрической машины /Н. А. Павелко (СССР). № 756 049/24−7- Заявлено 16.12.1961. Опубл. 01.01.1962. Бюл. № 1.
- А.с. 752 575 СССР, МКИ Н01 R 39/18. Щетка для электрической машины / Р. Ф. Б е к и ш е в, С. И. К, а ч и н, Г. Г. Константинов (СССР). -№ (21)2613297/24−07- Заявлено 04.05.1978. Опубл. 30.07.1980. Бюл. № 28.
- А.с. 801 163 СССР, МКИ Н01 R 39/18. Щетка для электрической машины / Р. Ф. Б е к и ш е в, С. И. К, а ч и н, Г. Г. Константинов (СССР). — № (21)2762446/27−07- Заявлено 29.03.1979. Опубл. 30.01.1981. Бюл. № 4.
- Пат. 5 929 579 США, МКИ Н 01 R 39/46. Soft-commutated direct current motor / S. Hsu J о h n- Lockheed Martin Energy Research. № 09/100 628- Заявлено 19.06.1998- Опубл. 27.07.1999.
- Авилов В. Д. Вольтамперные характеристики составных щеток / В. Д. Авилов, В. В. Ту р к и н // Коммутация машин постоянного тока: Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1970. Т. 112. Выпуск 2. С. 34−38.
- А в и л о в В. Д. Особенности коммутации коллекторных машин малой мощности с составными щетками: Автореф. дис. канд. техн. наук. Омск, 1968.
- Савельева Е. Н. Исследования вольтамперных характеристик составных щеток /Е. Н. Савельева// Коммутация тяговых электродвигателей и других коллекторных машин: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1980. С. 50−56.
- Савельева Е. Н. Коммутация машин постоянного тока с составными щетками: Автореф. дис. канд. техн. наук. JI., 1985. 16 с.
- А.с. 555 474 СССР, МКИ Н 01 R 39/28. Щеткодержатель /
- B.C. Платов, В. Г. Зайчиков (СССР). №(21)2195841/07- Заявлено 03.12.1975. Опубл. 25.04.1977. Бюл. № 15.
- А.с. 520 654 СССР, МКИ Н 01 R 39/28. Токосъемное устройство электрической машины / М. JI. Д р и з д о, В. В. Перцев, В. Н. Былинкин (СССР). №(21)2082246/24−7- Заявлено 08.12.1974. Опубл. 05.07.1976. Бюл. № 25.
- А.с. 82 712 СССР, МКИ Н 02 К 13/10, Н01 R39/28. Устройство для коммутации электрических коллекторных машин / Д. Д. Захарченко (СССР). -№ 386 913- Заявлено 05.11.1948. Опубл. 01.01.1950. Бюл. № 1.
- Пат. 2 004 117 515 Россия, МКИ Н 01 R 39/18. Токосъемное устройство электрической машины / Г. Ф. Руденко (Россия). № 2 004 117 515/09- Заявлено 08.06.2004. Опубл. 20.11.2005. Бюл. № 32.
- А.с. 660 132 СССР, МКИ Н 01 R 39/28. Токосъемное устройство /
- C.М. Кириллов, Г. А. Цветкова (СССР). № (21)2475789/24−07- Заявлено 18.04.1977. Опубл. 30.04.1979. Бюл. № 16.
- Пат. 2 291 531 Россия, МКИ Н 02 К 13/00. Токосъемное устройство / В. Д. Авилов, М. П. С е р г и е н к о, А. А. Шаров, Д. И. Попов (Россия).-№ 2 005 116 815/09- Заявлено 01.06.2005. Опубл. 10.01.2007. Бюл. № 1.
- А.с. 723 708 СССР, МКИ Н 01 R 39/18. Составная щетка Изосимо-ва М. Е. / М. Е. И з о с и м о в (СССР). № (21)2520894/24−07- Заявлено 02.08.1977. Опубл. 25.03.1980. Бюл. № 11.
- А.с. 116 691 СССР, МКИ Н 02 К 13/10. Токосъемное устройство для крупных высоковольтных электрических машин / Н. А. Панфилов (СССР). -№ 598 359- Заявлено 26.04.1956. Опубл. 01.01.1959. Бюл. № 1.
- Пат. 65 309 Россия, МКИ Н 02 К 13/00. Токосъемное устройство / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, П. Г. Петров (Россия). № 2 007 112 148- Заявлено 02.04.2007. Опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21.
- А в ил о в В. Д. Определение оптимальных параметров кол-лекторно-роликового узла машины постоянного тока / В. Д. Авилов, Д. И. Попов// Известия ВУЗов. Электромеханика. 2008. № 4. С. 13−15.
- Авилов В. Д. Коммутация в машинах постоянного тока с катящимся токосъемом / В. Д. А в и л о в, Д. И. Попов// Электротехника. 2008. № 7. С. 18−22.
- Авилов В. Д. Макет машины постоянного тока с катящимся токосъемом / В. Д. А в и л о в, Д. И. Попов// Электромеханические преобразователи энергии: Материалы международной науч.-техн. конф., 17−19 октября 2007 г., Томск: ТПУ 2007 г., С. 24−26.
- Авилов В. Д. Катящийся токосъем в машинах постоянного тока / В. Д. Авилов, Д. И. Попов // Известия Томского политехнического института. 2007. № 4. С. 123−126.