CN112072861A - 一种向运动电路接触供电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向运动电路接触供电的装置，其包括线圈引出结构、电刷、转轴和引线，所述线圈引出结构布置在所述转轴的周向上，所述线圈引出结构随所述转轴一起旋转；所述引线与所述电刷连接，还包括导电轮和驱动结构；所述导电轮与所述线圈引出结构之间具有接触面，所述驱动结构驱动所述导电轮旋转，实现所述导电轮与所述线圈引出结构在所述接触面处进行滚动接触；所述电刷的端部位于所述导电轮的侧面轴心处，与所述导电轮的侧面为滑动接触。本发明既能用于直流电机，也可用于电励磁同步电机或绕线式异步电机或者双馈异步电机；能消除电刷与换向器或滑环之间的摩擦，提高电刷与换向器或滑环的寿命。

Description

一种向运动电路接触供电的装置

技术领域

本发明涉及一种接触供电装置，特别是关于一种向运动电路进行接触供电的装置。

背景技术

现代社会无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、永磁电机、电励磁电机等。

在电机中经常需要由静止电路向运动电路进行接触供电，典型地有以下几种情况：

1、直流电机：直流电机的电枢绕组处于旋转运动状态，运行时需要将外部电路的直流电输入到转子电枢绕组上，或者将电枢绕组的直流电输出到外部电路，直流电机中采用换向器和电刷装置配合来实现。

2、电励磁同步电机：电励磁同步电机的转子为励磁绕组，其可以由外部静止的直流电源经过滑环和电刷装置向转子励磁绕组供电。

3、绕线式异步电机或双馈异步电机：其转子上有旋转的三相交流绕组，需要通过滑环和电刷装置由外部静止电路向转子交流绕组供电。

4、直线电机：直线电机的运动绕组的供电也需要由静止电路经过电刷与滑轨装置实现。

这些电机都存在由静止电路与运动电路进行接触连接进行供电的需要，该供电装置的可靠性对于电机整体性能和可靠性影响较大。滑环与电刷之间有滑动摩擦，同时滑环和电刷之间还要流过电流，因此存在电刷和滑环的磨损问题，寿命受到限制，电刷磨出的碳粉对于电机绝缘构成威胁。此外电流流过电刷和滑环，如果表面不平整还会引起火花，造成两者表面更快的损坏。这些问题对于换向器和电刷装置则更加明显，这是由于换向器是由多片换向片组成，片与片之间存在缝隙，导致电刷更容易磨损，电刷磨出的碳粉还会引起换向片的短路，威胁电机安全运行。

可见，电刷和滑环或换向器的磨损是电机系统性能的一个关键问题，如何减少电刷和滑环或换向器的磨损，提高其寿命对于电机性能至关重要。到目前为止，还没有解决问题的较好方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种向运动电路接触供电的装置，其能降低电刷与换向器或滑环之间的摩擦，提高电刷与换向器或滑环的寿命。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，在第一实施方式中，一种向运动电路接触供电的装置，其包括线圈引出结构、电刷、转轴和引线，所述线圈引出结构布置在所述转轴的周向上，所述线圈引出结构随所述转轴一起旋转；所述引线与所述电刷连接，还包括导电轮和驱动结构；所述导电轮与所述线圈引出结构之间具有接触面，所述驱动结构驱动所述导电轮旋转，实现所述导电轮与所述线圈引出结构在所述接触面处进行滚动接触；所述电刷的端部位于所述导电轮的侧面轴心处，与所述导电轮的侧面为滑动接触。

进一步，所述导电轮的圆周线速度与所述线圈引出结构的表面线速度相同。

进一步，所述导电轮的外缘采用柔性材料制成，并将所述导电轮用预先设定的压力压在所述换向片的表面，增大接触面积。

进一步，所述导电轮采用实心圆柱体，其外缘及其他部分均采用相同导电材料制成，或采用分区域由不同材料不同结构制成。

进一步，所述导电轮包括外缘部分、连接部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述连接部分将所述外缘部分与所述轴心部分连接在一起；所述连接部分具有固定形状。

进一步，所述导电轮包括外缘部分、连接部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述连接部分将所述外缘部分与所述轴心部分连接在一起；所述连接部分采用柔性导线制成。

进一步，所述导电轮包括外缘部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述外缘部分和轴心部分之间接触导电连接；所述外缘部分由具有柔性的导电材料制成。

在另一实施方式中，一种向运动电路接触供电的装置，其包括线圈引出结构、电刷、转轴和引线，所述线圈引出结构布置在所述转轴的周向上，所述线圈引出结构随所述转轴一起旋转；所述引线与所述电刷连接，还包括：两个导电轮、一根柔性导线和两个驱动结构；两个所述导电轮之间通过所述柔性导线同步传动连接，位于两个所述导电轮之间的所述柔性导线的一部分与所述线圈引出结构具有接触面；两个所述驱动结构为同速转动，分别由驱动结构驱动各导电轮进行旋转，带动所述柔性导线转动，实现所述柔性导线与所述线圈引出结构在所述接触面处进行滚动接触；每个所述导电轮的侧面轴心处都布置有所述电刷，所述电刷与所述导电轮的侧面为滑动接触。

进一步，所述柔性导线的运动速度与所述线圈引出结构的线速度相同，保证所述柔性导线与所述线圈引出结构之间无滑动摩擦。

进一步，所述驱动结构为驱动电机和电机轴，所述驱动电机的电机轴与所述导电轮为机械连接；或所述驱动结构为换向器或者滑环通过摩擦驱动所述导电轮旋转。

进一步，所述线圈引出结构为换向器或滑环；当采用换向器时，所述换向器包括换向片和云母片，所述换向片均匀布置在所述转轴的周向上，相邻的所述换向片之间设置有所述云母片，所有所述换向片和所有所述云母片一起组成换向器，所述导电轮或所述柔性导线的一部分与所述换向片之间具有接触面。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明的导电轮与换向器或者滑环之间为滚动接触，不是以往的滑动接触，电刷与导电轮接触在轴心处使相对运动速度降低，因此本发明可用于降低电刷与换向器或滑环之间的摩擦，提高电刷与换向器或滑环的寿命。

基于以上优点，本发明既可以用于直流电机，也可以用于电励磁同步电机或绕线式异步电机或者双馈异步电机，还可以用于直线电机等。

附图说明

图1是已有的直流电机换向器和电刷的横截面示意图；

图2A是本发明实施例一中的供电装置结构示意图；

图2B是图2A中的A-A剖视图；

图3是本发明导电轮的第一实施例示意图；

图4是本发明导电轮的第二种实施例示意图；

图5是本发明导电轮的第三种实施例示意图；

图6A是本发明实施例二中的供电装置结构示意图，也为图6B中的C-C剖视图；

图6B是图6A中的B-B剖视图。

具体实施方式

已有的直流电机的换向器和电刷如图1所示，包括换向片1、云母片2、电刷3、转轴4、引线5、电刷3与换向片1的接触面6。换向片1均匀布置在转轴4的外圆周上，其固定方式未示出，换向片1与换向片1之间由云母片2绝缘隔开，一周所有换向片1一起组成换向器，换向器和转轴4一起旋转。换向片1与直流电机电枢绕组的各线圈相连，连接方式未画出。引线5与电刷3相连，引线5和电刷3固定在定子上，静止不动。外部直流电源的正极或负极与引线5连接，引线5再与电刷3相连。由于转轴4和换向片1一起旋转，电刷3与换向片1之间处于滑动接触状态，通过滑动接触将直流电供电到换向片1，再与电枢绕组的线圈相连。这样实现了静止电路与运动电路之间的电连接和供电。

可见，在电刷3与换向片1之间存在滑动接触面6，电刷3和换向片1都会出现磨损。转轴4转速越高，电刷3与换向片1之间的相对运动速度更高，电刷3磨损越快。由于换向片1不连续，中间由云母片2隔开，导致换向片1与换向片1之间存在间隙，这些间隙使得电刷3表面会受到换向器的切割，加速电刷3的磨损，缩短电刷寿命。

对于绕线式异步电机、双馈异步电机和电励磁同步电机，换向器由滑环代替，滑环是圆环结构，表面光滑，与电刷的接触更加均匀柔和，但是由于电刷与滑环之间仍存在相对运动有滑动摩擦，因此仍存在电刷和滑环的磨损问题。

本发明提供的供电装置的电刷与换向器或滑环之间采用滚动接触，消除或降低电刷与换向器或滑环之间的滑动摩擦，减小电刷和换向器或滑环的磨损，延长供电装置的寿命。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的第一实施例中提供的向运动电路接触供电的装置，在本实施例中以直流电机为例，如图2所示，本发明包括现有结构中的线圈引出结构电刷3、转轴4和引线5。本实施例的改进之处在于，还包括导电轮7和驱动结构。

在本实施例中，驱动结构为驱动电机8和电机轴9。

在本实施例中，线圈引出结构为换向器，换向器包括换向片1和云母片2。

具体为：换向片1均匀布置在转轴4的周向上，相邻的换向片1之间设置有云母片2，由云母片2将相邻的换向片1绝缘隔开，布置在转轴4周向上的所有换向片1和所有云母片2一起组成换向器，换向器随转轴4一起旋转；且换向片1与直流电机电枢绕组的各线圈相连。导电轮7与换向片1之间具有接触面6，驱动电机8的电机轴9与导电轮7为机械连接，导电轮7与驱动电机8可同轴布置或者通过齿轮传动非同轴布置，由驱动电机8驱动导电轮7进行旋转，进而实现导电轮7与换向片1在接触面6处进行滚动接触。引线5与电刷3连接，且引线5和电刷3固定在定子上，静止不动；电刷3的端部位于导电轮7的侧面轴心处，与导电轮7的侧面为滑动接触。

使用时，电传输过程为：外部供电电源的正极或负极与引线5相连，引线5与电刷3相连，电刷3通过与导电轮7轴心处接触导电以实现与导电轮7电连接，导电轮7与换向片1之间接触导电，换向片1与转子电枢绕组的线圈连接，通过这一系列的连接，实现了外部静止的电路与转子上运动电路之间的电连接。

在本实施例中，通过增设的导电轮7后，通过相应的电连接可以带来以下好处：

1)导电轮7与换向片1之间的连接：导电轮7与换向片1之间存在接触面6。换向片1和云母片2构成的换向器与转轴4一起以一定转速旋转，导电轮7由驱动电机8通过电机转轴9驱动，导电轮7与电机转轴9一起旋转。驱动电机8的转速可以由现有的驱动控制系统控制，通过该驱动控制系统的控制实现导电轮7的线速度与换向片1的表面线速度相同，该状态即为转速的理想状态。此时，导电轮7与换向片1之间仅有滚动接触，而不存在滑动接触，也就是说导电轮7和换向片1之间不存在磨损问题。

2)导电轮7与电刷3之间的连接：电刷3与导电轮7的侧面存在接触，电刷3布置在导电轮7的轴心处。导电轮7以一定转速旋转，轴心处由于半径小，该处的线速度小，因此静止的电刷3与导电轮7之间的相对运动速度也很低。若忽略电刷3的直径，则可认为电刷3与导电轮7侧面之间不存在相对运动，也就是说电刷3不存在磨损问题。

由上可见，本发明在实现了静止电路与运动电路之间的电连接，实现了静止电路与运动电路之间的供电的同时，消除了以往电刷3与换向器或滑环之间的滑动接触和摩擦，改滑动接触为滚动接触，从而大幅降低电刷3和换向器或滑环的磨损，大幅延长其寿命。

在一个优选的实施例中，为了实现导电轮7与换向片1之间的纯滚动接触，驱动电机8的转速由现有的驱动控制系统根据换向器的转速进行动态调节与控制，控制目标为保证导电轮7的圆周线速度与换向片1的表面线速度相同。

在一个优选的实施例中，为了加大导电轮7与换向片1的接触面积以通过更大的电流，导电轮7的外缘可以采用柔性材料制成，并将导电轮7用预先设定的压力压在换向片1的表面，增大接触面，以实现更大的接触面积。

在一个优选的实施例中，导电轮7可以采用实心圆柱体，其外缘及其他部分均采用相同导电材料制成，或导电轮7采用分区域由不同材料不同结构制成。

优选的，如图3所示，为导电轮7的第一种实施例。在本实施例中，导电轮7包括外缘部分71、连接部分72和轴心部分73。外缘部分71与换向片1接触连接，轴心部分73与电刷3接触连接，连接部分72将外缘部分71与轴心部分73连接在一起，连接部分72具有固定的形状。

优选的，如图4所示，为导电轮7的第二种实施例。在本实施例中，导电轮7包括外缘部分71、连接部分72和轴心部分73。外缘部分71与换向片1接触连接，轴心部分73与电刷3接触连接，连接部分72将外缘部分71与轴心部分73连接在一起，此时连接部分72采用柔性导线制成。

优选的，如图5所示，为导电轮7的第三种实施例。在本实施例中，导电轮7包括外缘部分71和轴心部分73。外缘部分71与换向片1接触连接，轴心部分73与电刷3接触连接，外缘部分71和轴心部分73之间接触导电连接。外缘部分71可由具有柔性的导电材料制成。

需要说明，导电轮7的外缘部分71可采用柔性材料制成，轴心部分73可采用铜等材料制成。外缘部分71还可以采用绝缘柔性材料中布置导电材料来实现；或者外缘部分71还可以采用绝缘柔性材料与导电材料混合来实现；或者外缘部分71还可以通过导电材料敷设在绝缘柔性材料表面来实现。导电轮71的不同实现方式都在本发明保护范围内，再次不再穷举。

本发明的第二实施例中提供的向运动电路接触供电的装置，在本实施例中以直流电机为例，如图6所示，本实施例中的供电装置与第一实施例中的供电装置基本相同，区别在于，导电轮7不直接与换向片1接触，且本实施例中的供电装置中设置有两个导电轮7，两个导电轮7之间通过一根柔性导线10进行同步传动连接。位于两个导电轮7之间的柔性导线10的一部分与换向片1具有接触面6。两个驱动电机8为同速转动，各驱动电机8的电机轴9与相应的导电轮7为同轴连接，导电轮7与驱动电机8可同轴布置或者通过齿轮传动非同轴布置，由该驱动电机8驱动该导电轮7进行旋转，进而带动柔性导线10转动，实现柔性导线10与换向片1在接触面6处进行滚动接触。每个导电轮7的侧面轴心处都布置有电刷3。

上述实施例中，两个驱动电机8的转速由现有的驱动控制系统控制根据换向器的转速进行动态调节与控制，实现柔性导线10的运动速度与换向片1的线速度相同，以保证柔性导线10与换向片1之间无滑动摩擦。

上述各实施例中，驱动结构还可以为由换向器或者滑环通过摩擦驱动导电轮7旋转。

以上各实施例中，本发明仅以直流电机的换向器和电刷为例进行说明，本发明还可用于直线电机，直线电机的导轨就是将滑环的直径趋向于无穷大即变为直线。即线圈引出结构还可以为滑环。

本发明中的实施例采用直流电机的换向器和电刷进行说明，实际上换向器的所有换向片光滑地连在一起形成圆环结构即形成滑环。换向器也可以换成滑环，本发明同样适用。即：本发明既可以用于直流电机的换向器与电刷，也可以用于电励磁同步电机的滑环和电刷，以及绕线异步电机和双馈异步电机的滑环和电刷。此外本发明还可以用于直线电机的导轨与电刷。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (11)

1.一种向运动电路接触供电的装置，其包括线圈引出结构、电刷、转轴和引线，所述线圈引出结构布置在所述转轴的周向上，所述线圈引出结构随所述转轴一起旋转；所述引线与所述电刷连接，其特征在于，还包括：

导电轮和驱动结构；

所述导电轮与所述线圈引出结构之间具有接触面，所述驱动结构驱动所述导电轮旋转，实现所述导电轮与所述线圈引出结构在所述接触面处进行滚动接触；

所述电刷的端部位于所述导电轮的侧面轴心处，与所述导电轮的侧面为滑动接触。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述导电轮的圆周线速度与所述线圈引出结构的表面线速度相同。

3.如权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述导电轮的外缘采用柔性材料制成，并将所述导电轮用预先设定的压力压在所述换向片的表面，增大接触面积。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述导电轮采用实心圆柱体，其外缘及其他部分均采用相同导电材料制成，或采用分区域由不同材料不同结构制成。

5.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述导电轮包括外缘部分、连接部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述连接部分将所述外缘部分与所述轴心部分连接在一起；所述连接部分具有固定形状。

6.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述导电轮包括外缘部分、连接部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述连接部分将所述外缘部分与所述轴心部分连接在一起；所述连接部分采用柔性导线制成。

7.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述导电轮包括外缘部分和轴心部分；所述外缘部分与所述换向片接触连接，所述轴心部分与所述电刷接触连接，所述外缘部分和轴心部分之间接触导电连接；所述外缘部分由具有柔性的导电材料制成。

8.一种向运动电路接触供电的装置，其包括线圈引出结构、电刷、转轴和引线，所述线圈引出结构布置在所述转轴的周向上，所述线圈引出结构随所述转轴一起旋转；所述引线与所述电刷连接，其特征在于，还包括：

两个导电轮、一根柔性导线和两个驱动结构；

两个所述导电轮之间通过所述柔性导线同步传动连接，位于两个所述导电轮之间的所述柔性导线的一部分与所述线圈引出结构具有接触面；两个所述驱动结构为同速转动，分别由驱动结构驱动各导电轮进行旋转，带动所述柔性导线转动，实现所述柔性导线与所述线圈引出结构在所述接触面处进行滚动接触；

每个所述导电轮的侧面轴心处都布置有所述电刷，所述电刷与所述导电轮的侧面为滑动接触。

9.如权利要求8所述装置，其特征在于，所述柔性导线的运动速度与所述线圈引出结构的线速度相同，保证所述柔性导线与所述线圈引出结构之间无滑动摩擦。

10.如权利要求1至9任一项所述装置，其特征在于，所述驱动结构为驱动电机和电机轴，所述驱动电机的电机轴与所述导电轮为机械连接；或所述驱动结构为换向器或者滑环通过摩擦驱动所述导电轮旋转。

11.如权利要求1至9任一项所述装置，其特征在于，所述线圈引出结构为换向器或滑环；当采用换向器时，所述换向器包括换向片和云母片，所述换向片均匀布置在所述转轴的周向上，相邻的所述换向片之间设置有所述云母片，所有所述换向片和所有所述云母片一起组成换向器，所述导电轮或所述柔性导线的一部分与所述换向片之间具有接触面。

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