Глава 4 технология изготовления коллекторов и контактных колец

4.1. Конструкции коллекторов и требования, предъявляемые к ним

Коллектор является одним из наиболее трудоемких, сложных и дорого­стоящих узлов, в значительной мере определяющим срок службы электриче­ской машины. В конструктивном отношении коллектор - это один из наибо­лее ответственных ее узлов. Он является основным преобразовательным зве­ном в работе машины. Коллектор вместе со щеточным механизмом исполня­ет роль выпрямителя в режиме работы машины постоянного тока генерато­ром и роль инвертора - в режиме двигателя.

Сложность конструкции коллектора объясняется, во-первых, структурой кольца, состоящего из большого количества медных пластин, чередующихся с миканитовыми прокладками, во-вторых, сложными геометрическими фор­мами сопряжения металлических и изоляционных деталей, какими являются стальные нажимные конусы, миканитовые манжеты и медные ласточкины хвосты коллекторных пластин, и, наконец, силовыми явлениями, возникаю­щими под действием центробежных сил и температурных изменений.

Эксплуатационные требования, предъявляемые к коллектору, сводятся к обеспечению удовлетворительной работы скользящего контакта, то есть ус­ловий безискровой коммутации в сочетании с малым износом рабочей по­верхности коллекторных пластин и достаточно длительным сроком службы щеток.

Одним из основных условий, обеспечивающих удовлетворительную работy скользящего контакта, является плотное прилегание щеток к рабочей по­верхности коллектора при его вращении с заданной частотой. Для обеспече­ния этого условия необходимо, чтобы рабочая поверхность коллектора имела строго цилиндрическую форму и геометрическая ось этого цилиндра совпа­дала с осью вращения якоря.

Для обеспечения хорошей коммутации биение коллектора в собранной машине должно быть не более 0.03 мм для средних коллекторов и не более 0.04 мм - для крупных коллекторов. Если учесть, что половина этого значе­ния обуславливается зазором подшипников, эксцентриситетом подшипнико­вых щитов, то на долю допустимого биения коллектора остается 0.015...0.02 мм.

Конструкции коллекторов непрерывно развиваются и совершенствуются.

В настоящее время известны десятки конструкторских исполнений коллекто­ров для электрических машин малой и средней мощности, а также для круп­ных машин.

По конструкции и технологии изготовления коллекторы можно разделить на следующие основные типы:

1. коллекторы со стальными корпусами;

2. коллекторы быстроходных машин с бандажными кольцами;

3. коллекторы на пластмассе.

Коллекторы со стальными корпусами используют в машинах средней и большой мощности.

Конструкция представленного на рис. 4.1 коллектора называется арочной, так как посредством усилий, создаваемых стальными конусами, пластины коллектора прижимаются одна к другой, и между ними создается боковое давление, которое называют арочным распором.

Рисунок 4.1 - Конструкция коллектора на стальной втулке:

1 - стопорный винт, 2 - гайка, 3 - кольцевые канавки для балансировочных грузов, 4 - на­жимной конус, 5 - бандаж, 6 - изоляционные миканитовые манжеты, 7 - рабочая часть коллек­торной пластины, 8 - зазор, 9 - изоляционный цилиндр, 10 - ласточкин хвост, 11 - петушок, 12 - корпус коллектора (стальная втулка), 13 - шлиц в петушке,

14 - комплект коллекторных пла­стин, 15 - коллекторная миканитовая прокладка

Стальные конуса стягивают коллекторные пластины с изоляционными прокладками, осуществляя давление на ласточкин хвост через миканитовую манжету.

Профиль ласточкина хвоста задается углом, который обычно составляет 33°, причем угол между горизонталью и верхней стороной пластины равен 3°, а между горизонталью и стороной ласточкина хвоста - 30°.

Между верхней поверхностью пластин и манжетой нажимного конуса предусматривается зазор (8) около 0.5 мм, поэтому верхняя сторона пластины разгружена от усилий.

Нажимные конуса стягиваются кольцевой гайкой (2). Такую конструкцию применяют при длине коллекторных пластин до 200 мм. При длине коллек­торных пластин более 200 мм стремятся затяжку нажимных конусов гайкой не применять. Это связано с тем, что медь имеет больший коэффициент ли­нейного расширения при нагреве (α_м = 17·10^-6 град^-1), чем сталь (α_с = 12·10^-6 град^-1). Кроме того, температура коллекторных пластин выше, чем температура стальной втулки, так как пластины нагреваются трением о них щеток и проходящим по ним током. Это приводит к тому, что в рабочем состоянии пластины удлиняются больше, чем втулка. Температурные дефор­мации могут привести к бочкообразному выгибу коллекторных пластин и нарушению контакта щетки с коллектором. Деформации особенно значи­тельны в крупных коллекторах с большой длиной пластин.

Коллекторы крупных ма­шин стягивают стальными шпильками (рис. 4.2), которые при температурном изменении коллекторных пластин прояв­ляют свои пружинящие (тор­сионные) свойства. Число шпилек для стягивания на­жимных фланцев зависит от диаметра коллектора. При диаметре коллектора менее 500 мм число шпилек выбира­ется в пределах от 6 до 12. Диаметр шпилек не рекомен­дуется брать менее 16 мм. При удлинении пластин относи­тельно тонкие шпильки растя­гиваются. Шпильки рассчиты­вают таким образом, чтобы их деформация при удлинении происходила в пределах упру­гости материала.

1 - нажимные конуса, 2 - стягивающие шпильки, 3 - миканитовые манжеты,

4 - петушок, 5 - резьбовые отверстия для съема коллектора

Рисунок 4.2 - Коллектор крупной машины

Появление в них остаточных деформаций при нагреве может привести к ослаблению кол­лектора при его остывании.

Кольцо коллекторных пластин может стягиваться также с помощью бол­тов. На рис. 4.3 показана конструкция коллектора тягового двигателя элек­тровоза. Пакет коллекторных пластин (1) (обычно их больше 300) располо­жен между втулкой (4) и нажимным конусом (7), которые стянуты болтами (6). Втулка коллектора имеет ребра со ступицей и садится на втулку якоря. Коллектор тягового двигателя работает в условиях частых перегрузок, что приводит к температурному расширению коллекторных пластин, а соответ­ственно - к увеличению напряжения в стягивающих болтах.

Рисунок 4.3 - Конструкция коллектора тягового двигателя электровоза;

1 - комплект коллекторных пластин,

2 - концы секций обмотки якоря,

3 - петушки, 4 - втулка,

5 - изоляционный цилиндр,

6 - стяжные болты, 7 - нажимной конус,

8 - миканитовая манжета

Суммарные напряжения в болтах σ_б не должны превышать 0,5σ_т мате­риала болта (σ_т - предел текучести). Для болтов обычно применяют сталь 35ХГСА ГОСТ 4543 с σ_т = 600...900 МПа. Болты выбирают не менее М20 во избежание их обрыва при заворачивании. Прочность нажимного конуса рас­считывают с условием, что напряжения в нем не должны превышать 0,5σ_т материала. Конусы отливают из стали 35Л или изготовляют горячей штам­повкой из стали 45, предел текучести после термообработки σ_т = 400 МПа.

При высоких окружных скоростях коллекторов и относительно большой их длине для повышения прочности применяют конструкцию коллекторов с бандажными кольцами (рис. 4.4). Стальные бандажные кольца насаживают на внешнюю поверхность коллектора, изолировав их от пластин миканитовыми поясками.

Рисунок 4.4 - Коллектор с

бандажными кольцами:

1 - бандажные кольца, 2 - стяжные кольца, 3 - миканитовые пояски, 4 - коллекторные пла­стины, 5 - петушки, 6 - мембрана

Для равномерного износа коллекторных пластин стремятся подбирать пластины одинаковой твердости для каждого коллектора. Иногда применяют поверхностное упрочнение коллекторов.

У коллекторной пластины со стороны якоря имеется выступ (11) (рис. 4.1), называемый петушком, в котором выфрезовывается шлиц для вкладывания выводов обмотки якоря при пайке. В машинах, у которых диаметр коллектора намного меньше диаметра якоря, для удобства соединения обмотки с коллек­тором в пластины впаивают ленточные петушки.

В машинах малой мощности роль петушков на коллекторных пластинах выполняют крючки различной формы или шлицы с последующей расчекан­кой места крепления выводов обмотки.

Переднюю миканитовую манжету покрывают защитным покрытием из нескольких слоев проклеенной или прошитой стеклоленты. Снаружи ее по­вторно окрашивают дугостойким покровным лаком до получения монолит­ного покрытия с гладкой глянцевой поверхностью. Это предохраняет ее от запыления и образования проводящих мостиков.

В электрических машинах средней мощности с внешним диаметром кол­лектора до 250 мм и практически во всех машинах малой мощности широкое распространение получили коллекторы на пластмассе (рис. 4.5). Такие кол­лекторы при изготовлении имеют значительно меньшие трудоемкость и се­бестоимость, по сравнению со сборными, за счет отсутствия механической обработки пластин и крепящих деталей. Кроме того, коллекторы на пласт­массе более надежны в эксплуатации в отношении сохранения правильной цилиндрической формы.

Рисунок 4.5- Коллекторы на пластмассе:

а - коллектор с миканитовыми прокладками тягового двигателя электровоза,

б - коллектор микродвигателя;

1 - коллекторная пластина, 2 - армирующие кольца, 3 - пластмассовая изоля­ция, 4 - корпус коллектора,

5 - пластмассовый корпус

Основным недостатком коллекторов на пластмассе является их низкая ремонтопригодность. Этот недостаток является основным аргументом в отка­зе ремонтного предприятия от ремонта машины постоянного тока с неис­правным коллектором.

Так как коллектор находится на вращающейся части машины, то к нему предъявляются помимо электрических еще и повышенные механические тре­бования. Для удовлетворения этих требований коллектор должен иметь прочную конструкцию, а для этого его детали должны быть изготовлены из материалов повышенной прочности.

Прежде всего, коллектор должен быть монолитным, т. е. пластины не должны изменять свое положение в процессе работы машины. Для этой цели каждый коллектор подвергается длительной формовке в процессе изготовле­ния как собственно коллектора, так и якоря. Формовка некоторых коллекто­ров продолжается и во время испытания машины, и даже в эксплуатации, что подтверждается необходимостью подтяжки гайки или болтов и проточки ра­бочей поверхности коллектора. В отформованном коллекторе каждая коллек­торная пластина находит свое место в соответствии с формой своего профи­ля, точностью изготовления металлических деталей, манжет и миканитовых прокладок.

Формовка происходит, главным образом, за счет податливости миканито­вых прокладок и манжет и частично металлических деталей. Во время фор­мовки происходит «согласование» всех деталей коллектора для совместной работы.

Элементами, обеспечивающими напряженное состояние кольца коллек­торных пластин, являются нажимной конус и втулка, наружные и внутренние бандажные кольца или пластмассовый корпус.

В электрических машинах малой мощности наряду с цилиндрическими применяют дисковые (торцевые) коллекторы, у которых пластины распола­гают на торцевой поверхности диска. Торцевые коллекторы широко приме­няются в двигателях электробритв, электрооборудовании автомобилей и тракторов (рис. 4.6).

На рисунке 4.6,а показана электрическая схема соединения торцевого коллектора якоря микродвигателя электробритвы. Такие коллекторные мик­родвигатели нашли широкое применение как у отечественных, так и у ино­странных производителей электробритв. В последнее время в автоматике нашли широкое распространение малоинерционные исполнительные двига­тели постоянного тока с дисковым якорем (рис. 4.6, б). Такой якорь пред­ставляет собой тонкий диск из изоляционного материала, на обе стороны ко­торого электрохимическим путем наносят соединяющиеся между собой час­ти плоской (печатной) обмотки. Напряжение к обмотке диска подводится посредством щеток, которые скользят непосредственно по проводникам пло­ской печатной обмотки (рис. 4.6, в).

Торцевые коллекторы автотракторного электрооборудования (рис. 4.6, г) привлекают простотой конструкции и технологии изготовления.

Каждый из рассмотренных типов коллекторов имеет свои положительные и отрицательные свойства, однако для машин постоянного тока средней и большой мощности наилучшими в эксплуатации пока что являются сборные коллекторы на металлических конусах с изоляционными манжетами.

Сложность и трудоемкость производственного цикла изготовления сбор­ных коллекторов, а также выявление в эксплуатации плохо работающих, не­стабильных коллекторов должны стимулировать поисковые работы ученых, конструкторов и технологов в направлении создания новых более надежных типов коллекторов.

Рисунок 4.6 - Торцевые коллекторы:

а - схема соединения торцевого коллектора микродвигателя электробритвы, б - двигатель постоянного тока с дисковым якорем, в - дисковый якорь с печатной обмоткой (расширенный участок проводников соответствует месту установки щеток), г - торцевой коллектор автотрак­торного электрооборудования;

1 - диск якоря, 2, 8 - стальные ярма, 3 - втулка якоря, 4 - вал, 5 - щеткодержатель, 6 - постоянные магниты, 7 - полюсные наконечники, 9 - коллекторная пласти­на, 10 - пластмассовый корпус

Качество цилиндрических коллекторов и их эксплуатационная надеж­ность зависит от правильно выбранного технологического процесса и точного его соблюдения. Технологический процесс должен обеспечить выполнение следующих требований:

1) монолитность конструкции;

2. способность сохранять геометрическую форму в условиях нагрева при работе электрической машины;

3) равномерное и без перекосов расположение медных пластин и микани- товых прокладок по окружности коллектора.

Технологический процесс изготовления коллектора со стальной втулкой включает следующие операции:

1) изготовление деталей (коллекторных пластин, изоляционных прокла­док, изоляционных манжет, изоляционного цилиндра, втулки, нажимного конуса, гайки);

2. сборку коллекторных пластин в кольцо;

3) опрессование;

4) выпечку;

5) расточку ласточкина хвоста;

6. сборку на втулку;

7. динамическую формовку.