CN102742085A - 电气轴承接地装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对固定壳体包含的转动轴放电的组件、系统和方法。该系统包括环形电荷消散部件和偏压元件，偏压元件被定向成将轴向力施加到电荷消散部件，从而在轴转动的同时保持其与轴和壳体接触。偏压元件可以是螺旋弹簧或波形弹簧。轴接地升级套件包括传导环构件和柱形弹簧，柱形弹簧具有与传导环构件的直径相同的直径。柱形弹簧的弹簧常数使得弹簧将传导环构件保持在壳体内与轴和壳体接触。传导环构件可以由灰铁构成，并且柱形弹簧是波形弹簧和螺旋弹簧中的一种。

Description

电气轴承接地装置

技术领域

本发明总体涉及转动电气轴，并更特别是涉及一种用于对充电轴放电以防止经过所述轴的轴承损坏性放电的电荷消散装置。

背景技术

电感应现象、即电场和磁场之间产生力或形成电流的相互作用在范围很广的工业的多种应用中得到利用。实际上，在电能产生或转换成物理运动的几乎所有情况下，利用电感应的能量。

例如，磁性阵列在导体网络内的旋转(或者传导线圈在磁体阵列内的旋转)产生电流，电流可以作为可用电能来控制。这种原理在工业应用、机车应用、市政电力应用等的发电机中得到应用。相反，在马达应用中，在电流被迫经过传导线圈时，因此产生的磁场与永磁场相互作用，造成线圈(或永磁体)运动。

虽然感应现象(即发电或物理运动的引起)的预期效果通常是有利的，但这种现象有时也由于寄生感应造成非预期后果。这种情况下的相关例子是有时公知为轴充电或轴放电的情况。在这种情况下，发电或马达应用中使用的旋转轴相对于附近的接地主体(即马达壳体或发电机壳体)变得感应充电。虽然因此产生的静态电荷本身没有损害，但电荷会突然消散，或者在一定电压水平下经由至地面的中间路径形成电弧。出现这种情况的电压水平取决于许多因素，从空气湿度到机器的多种部件的传导性。但是，在大多数情况下，这种放电是有害的，并且通常是不希望的。

特别是，这种突然放电通常在显著大的电压幅值下，虽然持续时间短暂。在这种短暂的高电压放电的过程中，电荷经过的部件会被腐蚀、形成凹痕并甚至会烧毁。这是由于放电是非线性的阈值现象。换言之，第一可用的传导路径将使得放电马上进行，这将进一步减小采用任何其他路径放电的可能性，即使所述其他路径几乎是相同的。因此，与点焊类似，所述第一很有限的适当放电路径被迫用于整个放电，造成甚至最坚固的传导材料也快速加热和熔化。实际上，即使最坚硬的金属轴承也会由于这种现象而快速腐蚀和形成凹痕。

破坏性轴放电的可能性长时间为人所知，并且多年来进行了许多尝试来消除这种问题。虽然一些解决方法具有一定效果，还需要一种完全有效、经济和相对上没有维护的解决方案。

发明内容

在所公开的原理的一个方面，提供一种用于消散固定壳体包含的转动轴上的电荷的组件。该组件包括与偏压元件结合使用的环形传导电荷消散部件，偏压元件被定向成将轴向力施加到环形传导电荷消散部件，使得环形传导电荷消散部件在轴转动的同时保持与轴和壳体接触。在一种实施方式中，偏压元件是弹簧，并且进一步是压缩螺旋弹簧和压缩波形弹簧中的一种。

在另一实施方式中，提供一种用于使得转动地支承在接地壳体内的轴接地的方法。该方法包括将传导环靠近轴的自由端定位在壳体内，并且将偏压元件放置在壳体内，使得传导环位于偏压元件和轴的自由端之间，其中偏压元件与传导环和轴同轴。贴靠传导环压缩偏压元件将环贴靠轴的自由端偏压，从而传导环与壳体传导接触，因此使得轴接地。

在另一实施方式中提供一种用于应用到转动轴的自由端以使轴与周围固定壳体接地的轴接地升级套件。该套件包括具有与围绕轴的自由端的壳体部分的内直径大致相同的直径的传导环构件以及具有与传导环构件相同的直径的柱形弹簧。柱形弹簧的弹簧常数被选择成使得弹簧贴靠传导环构件在壳体内的压缩足以保持环与轴和壳体接触。传导环构件在轴转动的同时相对于壳体在转动上保持固定。传导环构件可由灰铁构成，并且柱形弹簧可以是波形弹簧和螺旋弹簧中的一种，或者可替代地包括如上所述的另一种偏压装置。

附图说明

从以下详细描述和附图中将理解本发明的原理的其他方面和特征，附图中：

图1是穿过示例性发电机轴的截面侧视图，表示会出现轴放电以及可以采用本发明的系统和方法的旋转轴环境；

图2是表示针对在例如图1的环境中发生的轴充电和放电的等同电路构造的电路图；

图3是穿过示例性发电机轴的截面侧视图，表示采用本发明系统和方法的旋转轴环境；

图4是发电机轴端组件400的分解截面侧视图，该组件中采用与本发明系统一致的电荷消散装置和构造；以及

图5是与所示轴放电系统的实施方式一致的单件式间断端环的前部示意图。

具体实施方式

本发明涉及电能使用和发电，并且本发明的原理可以容易安装和容易维护的形式对轴承充电/放电进行有效和经济的解决。本发明的系统和设备可在没有大量的供应或改装成本的情况下用于范围广泛的应用中，包括机车、工业和建造的能量使用和发电应用等。具体的非限定例子包括工业和消费者等级的发电机，例如独立发电机和作为大型机器或结构一部分的发电机。

此外，虽然本发明的原理通过例子相对于传导轴承装置描述，将理解到本发明的原理还可用于其他环境中，包括使用更贵重的陶瓷或其他绝缘轴承的环境。特别是，即使通过使用绝缘轴承防止经过装置的轴承放电，还是存在经过装置的其他部分进行损坏性放电的可能性，并且实际上可以甚至更高的电压进行。因此，所述应用不依赖于绝缘材料的使用，也不需要使用任何特殊轴承或套筒材料。

总的来说，图1是穿过示例性通用发电机结构的截面侧视图，表示其中会出现经过发电机轴承的损坏性放电并且可以采用本发明系统和方法的旋转轴环境。更详细地，发电机100包括轴101，轴101固定到转子103。轴101(转子103附接其上)在发电机100的操作过程中围绕轴线A旋转。除了任何其他材料之外，转子103可包括传导或磁性元件，或者两者的组合，而不管电绝缘与否。

轴101通过发电机壳体105环绕，并且通过一个或多个轴承组件109支承在壳体105内。壳体105通常包括或包含未示出的相应组件，该相应组件与旋转转子103相互作用，以便产生电能，或者利用电能来产生转动运动。

在所示例子中的轴承组件109是球轴承组件。但是，将理解到可以使用任何适当轴承或套筒组件来支承轴101，并通常根据组件109将受到的载荷水平和方向来选择。例如，实质上轴向的载荷施加到轴101(虽然对于这种环境来说不典型)将需要止推轴承，而更典型的径向载荷将可以使用标准的径向轴承。

将理解到轴承组件109通常通过油脂或其他润滑剂浸渍或润滑，以避免过早磨损。虽然绝缘油脂可与所述系统和设备相结合地用于轴承组件109内，所使用的任何具体润滑剂并不关键，或者实际上可以使用任何附加的润滑剂。

为了将壳体105的内部与外部环境隔离，端盖107在轴101的至少一个端部处设置在壳体105上，轴的所述端部指的是其自由端。使用端盖107防止油脂和其他物质在操作过程中离开壳体105，并且还防止例如灰尘、砂砾和湿气的污染物侵入壳体105的内部。轴101具有可以通过适当端盖或其他封闭装置或表面封闭在壳体105内的相对端(未示出)，或者相对端可以替代地从壳体105伸出。通常，在这种情况下，轴101的端部包括驱动或从动元件，例如齿轮或滑轮，以便将轴101联接到外部转动元件。

随着轴101在壳体105内旋转，可以随着时间在至少间歇地电隔离的轴101和通常永久接地(即相对于发电机100外部的环境固定在零电位差)的壳体105之间建立正或负电压差ΔV。虽然这种累积的电位ΔV本身不是有害的力，它通常经由形成电弧或经由至地面的有限传导路径达到其放电和消散的幅度。如上所述，在出现这种放电时处于电流路径内的任何装置部件会随着时间而损坏。因此，例如轴承组件109会形成越来越多的凹痕和腐蚀，造成最后轴承失效。

图2是表示对应于图1的发电机100的实际结构的等同充电和放电电路200的电路图。特别是，交流电压差经由轴101或转子103和未示出的相应元件之间的感应耦合引起。这种耦合通过联接的感应器结构201来表示。随着交流电压差施加到轴101，该装置结构和转动用来优先允许在一个方向上充电。这种效果经由二极管203表示。这种优先充电造成由轴101和壳体105之间的电容表示的电容器205上的累积电压差ΔV。轴承组件109被描述成电容器205上的放电路径，以表示轴承组件109所经历的间歇放电。

如上所述，间歇高压放电有害于发电机100的部件，并且考虑到这种问题，本发明的系统和设备提供一种紧凑和容易维护的机构，由此优先充电的电压差ΔV被连续消散，从而不允许累积电压差ΔV。由此，图3是穿过示例性发电机300的截面侧视图，表示采用本发明的系统和方法的旋转轴环境。

更加详细地，图3的发电机300包括与图1的发电机100相同的一些部件，例如固定到被构造成在发电机300的操作过程中围绕轴线A旋转的转子303的轴301。如同发电机100，发电机300的轴301通过发电机壳体305环绕，并且通过一个或多个轴承组件309支承在壳体305内。最后，壳体305还通常包括或包含与旋转转子303相互作用以便产生或利用电能的未示出相应组件。

除了与发电机100相同的元件之外，发电机300还包括用于从轴300消散电荷以防止电荷逐渐累积并随后突然经由轴承组件309或其他部件放电的组件。特别是，发电机300包括传导电荷消散元件、端环311以及例如弹簧313的偏压元件，弹簧313被定向和定位，以便相对于轴将轴向力施加到端环311。由此，端环311在轴301转动的同时保持与轴301和壳体305大致恒定接触。虽然弹簧313在图3中表示成螺旋弹簧，将理解到还可以使用其他适当的偏压元件，并且在一些情况下可以更好地适用于特定应用。多种替代偏压元件将结合轴301、端环311和壳体305的构造和结构的更加详细的描述来说明。

图4是发电机轴端组件400的分解截面侧视图，发电机轴端组件400中采用了与本发明的原理一致的电荷消散装置和构造。轴401、端环403和弹簧405可以在此视图中看到。可以看到，轴401在其自由端(即其最靠近端环403的端部)处具有部分渐缩的减小直径部分407。部分渐缩的减小直径部分407用来确保端环403和弹簧405相对于轴401的自由端保持对中在轴线上。肩部409形成在轴401从其正常直径过渡到自由端处的部分渐缩的减小直径部分407的位置。

虽然弹簧405表示成压缩螺旋弹簧，将理解到可以替代地使用其他弹簧类型和构造。例如，与具有类似质量的螺旋弹簧相比，波形弹簧能够以更短的形式提供相同的行程和弹簧常数，使得安装更加紧凑。替代地，可以使用小型片簧或指式弹簧元件。

端环403由传导材料制成，并在多种应用中由传导金属材料制成，该传导金属材料具有良好的耐磨性以及至少中等的润滑性。在一种实施方式中，端环403由铸造或加工的灰铁制成。将理解到灰铁通常是碳、硅和铁的合金，碳主要是石墨形式(即除了铁母体中作为珠光体意外包含的少量碳之外)。虽然由于石墨微型薄片的存在，灰铁具有比许多其他合金低的延展强度和较低的韧性，这些薄片的存在将一些性能赋予合金，使其特别适用于端环44的构造。这些性能包括容易铸造、用于生产和精加工的良好加工性能(即使在耐磨的硬度水平)、在端环403可能经历的摩擦加热情况下的尺寸稳定性、振动吸收性和中等的润滑性。因此，假设端环403可以受到热量、压缩和摩擦，特别是如果外部润滑失效，灰铁是用于适应预料和未预料的载荷的良好材料，而退化或不稳定性最小。

在特别的实施方式中，端环403形成为在端盖(图4未示出)中具有径向压缩摩擦配合，并且还通过弹簧405贴靠轴401的肩部409偏压。由此，端环403接触壳体(图4未示出)并还保持与轴401接触，以便在两者之间形成传导路径，使得任何积累的电荷得到平衡。这有效地防止所述机器的其他元件上的电压累积和突然放电。

就弹簧405而言，将理解到弹簧405应该具有足够高的弹簧常数，并且应该以充分的预压缩状态安装，以便提供足够的力来保持端环403与轴401特别是轴肩部407接触。但是，如果弹簧405被构造和安装成使得过多的力施加到端环403，那么会出现端环403和/或肩部407的过度磨损，也会造成端环403在壳体内旋转。这种现象将造成端环403的外周表面过多磨损，并会最终造成壳体和端环403之间的接触间歇地破坏。

在一种实施方式中，端环403例如通过油流或油脂的存在来连续润滑，以防止粘接、磨伤或摩擦。润滑源可以是专用源，或者可以与例如附近的套筒或轴承的其他部件共享。

虽然端环403和弹簧405在图4的分解视图中分开表示，这两个元件在特殊实施方式中被固定在一起以便提供安装和移除的便利性，以及减小使得端环403在发电机的操作过程中旋转的机会。此外，虽然端环403表示成具有矩形截面，端环403的截面形状可以根据制造容易性、壳体内部形状或任何其他特定应用的考虑来变化。例如，端环403可以形成为具有圆形、卵形、方形或其他改变的截面。此外，虽然端环403表示成连续的单件式部件，从端环403的公开操作和功能中将理解到还可以使用不连续和/或多个部件的环。例如，端环403可包括多个不同的弧形部件。

作为例子，图5表示单件式不连续端环501的前部示意图。可以看到，端环501是大致连续的，但是在其周边上的一点处包括小间断或间隙503。虽然这种间隙503不需要具有特定功能，将理解到间隙503可用来相对于壳体的配合部分的内直径为端环501提供较宽的误差范围。此外，较大程度的轴向压缩性将使得端环503在操作过程中补偿沿着其外周表面的磨损，而不需要更换。在这种情况下，端环501的内直径505的尺寸应该设置成在端环501处于其最压缩状态时离开轴(图5未示出)。

在所述例子中用于传导部件的材料被描述为灰铁。但是，将理解到可以具有适当的替代，这些替代虽然在某些方面具有略差的性能，但是在一个或多个其他方面具有优越的性能。例如，可以使用具有不同韧性和硬度值的多种类型的钢(不锈钢和其他钢)，如同也可使用例如铜、黄铜、铝等其他传导金属。也可以使用例如石墨的廉价传导非金属，虽然这样的一些材料会具有过多的磨损和其他问题。

在一种实施方式中，升级套件设置用于将所述系统和方法适用于先前未接地或者先前由其他装置实现轴接地的发电机或马达。升级套件将参考图3来描述。在一种实施方式中，套件包括传导端环311、端盖307和圆柱形弹簧313。套件还包括例如具有聚合或金属构造的密封环315，以便在安装时将端盖307密封到壳体305。

轴接地升级套件被应用于转动轴301的自由端，使得轴301与周围固定发电机壳体305接地。传导端环311形成有大致与端盖307的内直径相同的直径。柱形弹簧313具有与端环311的直径基本相同的直径，使得弹簧313均匀地接触端环311的表面。弹簧313具有弹簧常数，弹簧常数被选择成使得弹簧313贴靠端环311在壳体305和/或端盖307内的压缩(在端环311、弹簧313和轴301同轴放置时)将保持环311与轴301和壳体305接触，使得端环311相对于壳体305在转动上保持固定。通过这些部件安装成使得弹簧313被适当压缩，轴301与壳体305接地，并且消除了损坏性的放电。

在一个方面，齿、键或键槽设置在端环311上，以防止端环311相对于壳体305或端盖307转动。设置的齿、键或键槽的形状与壳体305或端盖307上的相应结构(例如通道、键或突出部)配合或干涉，以便围绕其主要轴线固定端环305。

工业实用性

所述系统和方法适用于其中旋转轴可能相对于例如壳体或外罩的附近元件变得充电的机器和装置。此外，在这种充电累积到峰值时的损坏性放电的可能性通过所述系统在其多种实施方式(所示和从说明书和附图中明白的)中得到解决。具有损坏性轴充电和放电危险的机器和装置的例子包括许多类型的电动马达和发电机。

在本文中，本发明的系统有助于轴和壳体或外罩之间电荷的平衡，因此防止逐渐的电荷积累和经由敏感机器部件的突然放电。此外，所述系统的构造使其消除了过多的空间要求和许多现有系统的高度复杂性，允许系统的低成本生产、安装和维护或更换。

将理解到所述说明提供了本发明系统和技术的例子。但是设想到本发明的其他应用会在细节上不同于以上例子。对于本发明及其例子的所有描述用来参考那时描述的特定例子，并不意欲对本发明的更宽泛的范围施加任何限制。对于一些特征的区分和轻视的所有表述用来说明这些特征不是优选的，而不完全将其排除在本发明的范围之外，除非这里指明。

除非这里另外指明，这里对于数值范围的引用只是用作对于落入该范围内每个单独数值单独引用的简便方法，并且每个单独数值被结合到说明书中，似乎是每个独立数值在这里单独引用那样。这里描述的所有方法可以任何适当顺序执行，除非这里另外指明或与本文明显不符。

Claims (10)

1.一种用于消散固定壳体至少部分包含的转动轴上的电荷的组件，其中所述壳体和所述轴通过一个或多个轴承分开，所述组件包括：

环形传导电荷消散部件；以及

偏压元件，所述偏压元件相对于所述轴被定向成将轴向力施加到所述环形传导电荷消散部件，使得所述环形传导电荷消散部件在所述轴转动的同时保持与所述轴和所述壳体大致恒定接触。

2.根据权利要求1所述的组件，还包括在所述环形传导电荷消散部件与所述轴大致接触的点处形成在所述轴上的肩部，所述肩部的尺寸和形状设置成接收所述环形传导电荷消散部件。

3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述偏压元件是压缩螺旋弹簧，所述压缩螺旋弹簧具有基本上与环形传导电荷消散部件的外直径相同的外直径并与所述轴同轴。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述偏压元件是压缩波形弹簧，所述压缩波形弹簧具有基本上与环形传导电荷消散部件的外直径相同的外直径并与所述轴同轴。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述环形传导电荷消散部件围绕其周边在一个或多个位置处开放。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述环形传导电荷消散部件包括多个不同的弧形部件。

7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述环形传导电荷消散部件、所述壳体和所述偏压元件的结构和尺寸被设置成使得所述环形传导电荷消散部件在所述轴旋转时相对于所述壳体保持固定。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述壳体被电接地。

9.一种应用于转动轴的自由端以使所述轴与周围固定壳体接地的轴接地升级套件，所述壳体具有围绕所述轴的自由端的部分并在所述部分处具有内直径，所述套件包括：

传导环构件，所述传导环构件具有基本上与所述壳体的主要直径相同的直径；

柱形弹簧，所述柱形弹簧具有与所述传导环构件的直径相同的直径；以及

端盖，所述端盖具有用于容纳所述柱形弹簧的柱形开口，使得在所述端盖安装在所述壳体上时，所述传导环构件、弹簧和轴以相互同轴的关系定位，并且所述弹簧压靠所述传导环构件，以便保持所述环与所述轴和壳体接触，使得所述传导环构件相对于所述壳体在转动上保持固定。

10.根据权利要求9所述的轴接地升级套件，其中，所述传导环构件包括灰铁，并且所述柱形弹簧是波形弹簧和螺旋弹簧中的一种。

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