CN101682234B - 改进的用于减轻旋转轴上电流的接地电刷系统 - Google Patents

Abstract

一种改进的用于减轻如旋转轴(16)的移动物体上电流的电刷接地系统(10)，包括导电层(30)，其应用到物体并与电刷组件联系用于从移动物体传导电流到地。

Description

改进的用于减轻旋转轴上电流的接地电刷系统

交叉参考

本申请要求申请日为2007年4月23日的美国在先申请US60/925833的优先权。

技术领域

本发明总的来说涉及接地组件，并且更具体地，涉及用于包括旋转轴的移动物体的接地组件，旋转轴是如电机轴、轮机轴和其它电连接到产生电荷或经历电荷建立的部件的移动部件。

背景技术

在电机中经历轴感应电流，并且一般在由可变速度驱动器驱动的三相电机中经历轴感应电流。可变速度驱动器利用脉冲宽度调制技术来改变交流(AC)电机的速度，从而允许在之前使用更贵的直流(DC)电机的地方使用较便宜的交流电机。使用具有可变速度驱动器的交流电机的一个缺点是可变速度驱动器会产生高的共模电压(CMV)(common mode voltage)，这会增加轴感应电流。

电机轴上的电压感应出电流从轴承流到电机机座然后流到地。当电机运行时，轴承对电流的电阻变大，造成在轴表面的电荷累积。经过短的时间段，CMV造成的电荷积累到高的水平。当电荷超过最低电阻路径的阈值时，有时通过轴上的球轴承，电能的瞬间爆发或放电穿过该路径。放电会造成沿该路径的电火花(EDM)(electric discharge machining)，如果最小电阻路径通过轴承，这就会损坏轴承座圈的表面和轴承中的球体。电能爆发产生熔化坑，并且形成坑时产生的微粒仍在密封轴承内部。轴承中的熔化坑和微粒材料产生干扰轴承自由旋转的效果，这会导致物理损坏和过早的轴承故障。

很多公知的缓解技术被用来试图克服这个问题。公知的尝试包括使用可导电的轴承润滑油，绝缘轴承和使用铜/磷电刷和法拉第(Faraday)屏蔽罩。普遍的，有些成本-效能核算的解决方案是使用提供持续电流到地的受载弹簧铜电刷(spring-loaded copper brushes)使轴接地。然而，铜电刷会很快用坏，需要经常、定期保养和更换。而且，轴上建立的氧化物和电刷和轴之间的其它障碍物会减小电流，并且导致电刷和轴之间的电能爆发。由于电刷和轴表面之间的交替的摩擦关系，受载弹簧电刷也趋向于振动。电刷的振动，不论因为什么造成的，会导致不需要的跳火(sparking)。

公知使用的接地电刷包括在围绕轴的支架中的传导丝。具有细丝的电刷可以用作非接触的离子发生器来减少孤立轴或孤立辊子上的电荷。该细、轻丝也可以被用作接触导体靠着旋转轴或其它移动表面。然而，细丝接地电刷作为非接触的离子发生器或接触导体的效率会受与其相互作用的表面的性能的影响。轴或其它表面的腐蚀会严重地影响运行。新电机的接地性能会随着时间由于轴的腐蚀而变差，并且如果电机轴被腐蚀，改进这种类型的接地系统将是有问题的。

所属领域需要一种接地系统，其可以在恶劣的环境下有效地运行很长时间，并且可以被安装而作为一种改进或并入到新的组件中。

发明内容

本发明提供了一种导电部件，其可以电连接到旋转轴或其它移动部件，用于以与接地电刷系统接触或非接触的关系和固定电刷一起操作。

对本领域技术人员来说，通过以下的具体描述、权利要求和附图，将会清楚本发明的其它的性能和优点，附图中同样的数字表示同样的特征。

附图说明

图1是根据本发明具有接地电刷系统的电机的透视图。

图2是图1所示接地电刷系统中使用的轴环的透视图。

图3是图1所示电机和接地电刷系统的局部截面图。

在详细地解释本发明实施方式之前，需要知道本发明并不局限于在以下的描述中或在附图中描述的组件的结构和布置的细节。本发明可以有其它实施方式，还可以以各种方式实现或实施。并且，需要理解这里使用的措词和术语是用于解释目的而不是限制。这里使用的“包括”、“包含”及其变化意味着包括其后罗列的项目及其等价物，以及附加的项目及其等价物。

具体实施方式

现在具体参考附图，特别是图1。数字10指代根据本发明的接地电刷系统。接地电刷系统10安装在电机12上，并且更具体的靠着电机12的外壳面板14，用于释放可能积累在电机12的轴16上的电荷。应该理解，由于在不同类型的电机和不同直径的轴16上使用，接地电刷系统10可以是各种不同尺寸的。接地电刷系统10也可以在涡轮机、传送机和其它积累电荷的组件和结构的旋转轴上使用。本发明的使用并不局限于电机，并且电机12只是作为一种对本发明合适和有利的使用来显示和描述。

接地电刷系统10包括安装在并环绕轴16的轴环20和通过安装盘24而固定到电机面板14的电刷环组件22。电刷环组件22一般环绕环20并且可操作地安装在轴环20和安装盘24之间，以在电机12运行期间通过电机12的接地释放电机轴16上积累的静电或其它电荷。

轴环20用于提高释放旋转表面电流的微纤维接地电刷系统的效率。环20由高导电材料制成或是表面涂有高导电材料，如银、金、铜或镍。优选地，该材料具有高导电性和抵抗腐蚀及其它传导恶化现象的性能。尽管环20可以由这样的材料制成，它也可以由便宜一些的导电材料制成，和在外表面与电刷环组件22相互电作用的位置涂上高导电性和抗腐蚀性材料。

在优选实施例中示出，环20包括锚环26和邻近锚环26的接触环28。接触环28具有配置在其外表面的由高导电材料如银、金、铜或镍构成的高导电层30。在环20的内径中可以配置成接合轴16的外表面。可供选择地，环20可以通过将固定螺丝32或类似物插入到螺纹孔34而固定到轴16。螺丝32建立了环20和轴16之间的亲密电接触。在其它变形中，环20可以是两个或多个部分夹在轴16上来提供环20到轴16的直接的电接触。也可以理解，在本发明的一些实施例中，高导电层30可以直接被提供在旋转轴或其它被接地的移动部件的表面上。例如，可以直接在表面上使用导电墨水或涂料。

电刷环组件22包括环形体40和放置其中的电刷组件42。体40包括外部44、内部46和底座48。外部44、内部46和底座48一起形成环形通道，在其中放置电刷组件42。体40由导电材料制成，如金属包括但不局限于铝、不锈钢、青铜和铜。体40也可以由导电塑料制成。

电刷组件42包括很多单个的类纤维传导丝50，其可以单独地配置在连续的环中，或环绕轴16放置的很多纤维束中。在一个实施例中，每个丝50是细的、像头发的丝，由炭纤维、不锈钢、导电塑料如丙烯或尼龙纤维、或其它导电纤维类丝制成，可以提供足够小的直径来在电场存在的地方产生电离。在该实施例中，传导丝50一般具有小于大约150微米的直径。在一种配置中，传导丝50是直径在大约5微米到100微米之间的传导丝。可供选择地，传导丝50可以是导电材料的更大的纤维，保持与层30接触。

传导丝50由锚结构固定在体40内。锚结构52是导电的，并且可以是钳位结构形式，如其间保持传导丝50的盘。另一可供的选择中，锚结构52可以是由如在体40中的导电塑料、导电粘合剂或类似锚传导丝50的填充材料形成的导电体。传导丝50的末端部54延伸通过锚结构52的内表面56，并径向在外、内部44、46向内朝向轴16上和轴16上的环20的层30延伸。当与平滑、抗腐蚀层30使用时，细、重量轻的传导丝50可以物理接触层30来直接从轴16传送电荷，而不会在运行时有显著的损坏。然而，丝50的末端54也可以被提供在与层30很近的距离上，这样，当电场由轴16上电荷累积产生时，产生电离的场，允许从轴16到丝50的非直接电荷传送。在另一合适的配置中，当电机12停止或低速运行时，细的、重量轻的丝50接触层30。启动和使用期间随着轴16速度增加，空气流使得丝50从层30移开。

安装盘24由导电材料如金属包括但不局限于铝、不锈钢、青铜和铜制成。安装盘24也可以由导电塑料制成。环体40通过很多夹钳60和螺丝或螺钉62保持到安装盘24，实施例中显示了三个这样的夹钳60以及与其结合的螺丝62。可以理解，可以使用更多或更少的夹钳60以及与其结合的螺丝62，也可以使用其它的用于固定环体40到或靠着安装盘24的结构。在其它实施例中，安装盘24和环体40可以被制成或造成单体。然而，保持安装盘24和环体40分离但连接的结构允许在维修时拆卸。例如，环体40可以通过放开夹钳60被取出，而不需要从电机12上断开安装盘24。

安装盘24通过轴向延伸进并/或穿过电机12的带螺纹的杆或螺钉64而连接到电机12。在安装盘24中提供的延长槽66容纳螺钉64。从而，安装盘24可调整与电机12的相对位置，并且可以用在不同直径的电机上来容纳设置在距轴16不同径向距离的螺钉64。在实施例中，示出了三个螺钉64和与其结合的槽66；然而，可以提供不同结构的安装盘24，以使得可以容纳不同尺寸和结构的电机12。

环20固定到轴16来建立它们之间的导电性。在改进的应用中，轴16的表面可以被清洁来除去氧化物、污垢或其它限制导电性的物质。在使用电机12期间积累在轴16上的电荷，通过它们之间建立的直接物理接触从轴16传送到环20，包括通过固定螺丝32、锚环26和接触环28到且形成于层30上。从层30到丝50的电荷传送通过丝50和层30的接触来直接发生，或者如果层30和丝50之间有间隔则通过电离间接发生。从丝50，电荷可以通过体40和安装盘24传送到外壳面板14和电机12的接地端。轴16上积累的电荷在发生电弧之前从接地电刷系统10释放到地。

层30和传导丝50之间的关系和性能可以通过选择材料来优化，它们在无论是很小距离接近和非接触电离传送，还是物理接触直接从层30传送都可以很好地工作。即使轴16的暴露的表面经过时间被腐蚀，环20也能建立并保持和轴16的好的电接触，并且环16和尤其是层30的性能通过接地电刷系统10保持在一个高的操作水平上。

前述的变形和变换都是在本发明的范围内。可以理解在此解释和定义的本发明可延伸到包括从文本和/或附图中提到或明确的两个或多个单个特征的所有可选择的组合。所有这些组合构成了本发明的各种可选择的方面。这里描述的实施例解释了所知的实施该发明的最好形式，并且使本领域技术人员可以利用该发明。权利要求用来包括可替换的实施方式到现有技术所允许的范围。该发明的各种特征将会在以下的权利要求中提出。

Claims (20)

1.一种用于从外壳向外延伸出的可转动轴的接地电刷系统，所述接地电刷系统包括：

导电层，其连接到所述轴；

导电体，其与所述导电层相对；

传导丝，所述传导丝连接到所述体并具有向所述导电层延伸的端部；所述传导丝与所述导电层电连接并且具有足够小的直径以在所述轴和所述导电层上的静电荷产生的电场存在的地方产生电离，当所述轴停止或低速运行时，所述传导丝与所述导电层接触，如果所述轴的速度增加，空气流使所述传导丝从所述导电层上移开使得所述传导丝在与所述导电层很近的距离上；

所述导电体接地。

2.权利要求1的接地电刷系统，所述导电体一般为环形，并且所述导电体通过安装盘连接到所述外壳的外部。

3.权利要求1的接地电刷系统，所述导电层是环形环上的环形层。

4.权利要求1的接地电刷系统，所述传导丝与所述导电层近距离隔开。

5.权利要求1的接地电刷系统，所述传导丝与所述导电层物理接触。

6.权利要求1的接地电刷系统，所述导电层是从高导电材料组中选择的高导电材料，该高导电材料组包括导电塑料、金、银、铜和青铜。

7.一种用于电机的接地电刷系统，该电机具有外壳面板和轴，所述接地电刷系统包括：

体，其电连接到电机面板的外表面；

电刷组件，其电连接到所述体，所述电刷组件具有电连接到所述体的传导丝，所述传导丝具有足够小的直径以在所述轴上的静电荷产生的电场存在的地方产生电离，所述传导丝具有接近轴的末端；和

环，其配置在轴上并电连接到轴，所述环包括配置在所述传导丝的所述末端和所述轴之间的导电材料层，当所述电机停止或低速运行时，所述传导丝与所述导电材料层接触，如果所述电机的速度增加，空气流使所述传导丝从所述导电层上移开使得所述传导丝在与所述导电材料层很近的距离上。

8.权利要求7的接地电刷系统，所述导电材料层是高导电性和抗腐蚀性的金属，从包括金、银、铜和青铜的金属组中选择。

9.权利要求7的接地电刷系统，所述体电连接到安装盘，所述安装盘电连接到面板。

10.权利要求9的接地电刷系统，所述安装盘是从材料组中选择的高导电材料，该材料组包括导电塑料、铝、不锈钢、铜和青铜。

11.权利要求9的接地电刷系统，所述安装盘中具有延长槽，并通过螺钉延伸穿过所述槽进入电机而连接到所述电机。

12.权利要求7的接地电刷系统，所述环具有接合所述轴的锚环和固定螺钉，和邻近所述锚环的接触环，所述导电材料层配置在所述接触环的外表面。

13.权利要求7的接地电刷系统，所述电刷组件环绕所述轴。

14.权利要求7的接地电刷系统，所述丝的所述端部与所述导电材料层近距离隔开。

15.权利要求7的接地电刷系统，所述丝的所述端部与所述导电材料层接触。

16.一种电机，包括：

电机外壳面板；

电机轴，由所述面板向外延伸；

接地电刷系统，其配置为环绕轴并固定到所述面板，所述接地电刷系统包括：

导电环，其配置在所述轴上，所述环具有导电材料层；

电刷组件，其环绕所述导电环，所述电刷组件电连接到所述面板并具有传导丝，该传导丝具有径向向内延伸到所述导电环的端部，所述传导丝具有足够小的直径以在所述轴和所述导电环上的静电荷产生的电场存在的地方产生电离，当所述电机停止或低速运行时，所述传导丝与所述导电材料层接触，如果所述电机的速度增加，空气流使所述传导丝从所述导电层上移开使得所述传导丝在与所述导电材料层很近的距离上。

17.权利要求16的电机，所述电刷组件通过安装盘固定到所述面板的外表面。

18.权利要求17的电机，所述导电材料层是导电塑料、银金、铜和青铜中的一种。

19.权利要求17的电机，所述传导丝的所述端部与所述导电材料层具有近距离关系。

20.权利要求17的电机，所述传导丝的所述端部与所述导电材料层物理接触。

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