CN113719535A - 用于带有夹子安装导体的轴承的组合绝缘体和导体组件 - Google Patents

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马蒂厄·休伯特
汤米·朱利安
基恩·A·科瓦奇
托马斯·佩罗汀
戴维·克里斯托弗·雷布斯基
安东尼·西蒙宁
科林·斯奈德
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Abstract

一种组合有电绝缘体和导体的组件，所述组件用于可布置在轴与座之间的轴承。环形绝缘体可绕着所述轴承布置，并且被构造为防止电流在外圈与所述座之间流动。电导体具有保持件、径向外端部和径向内端部，所述保持件与所述绝缘体可释放地接合，以使所述导体与轴承联接。所述导体的径向外端部或/和所述导体的位于所述外端部与所述内端部之间的部分可与所述座导电地接合，并且所述导体的径向内端部可与所述轴导电地接合，以在所述轴与所述座之间提供导电路径。优选地，所述导体包括：导电盘，具有可与所述绝缘体的绝缘体槽接合的弧形保持件夹子；以及刷子组件，包括与所述轴的外表面接合的导电纤维。

Description

用于带有夹子安装导体的轴承的组合绝缘体和导体组件
技术领域
本发明涉及轴承，并且更特别地涉及用于防止电流或电荷流经轴承的接地装置。
背景技术
如果电流或电荷流经在电气机械设备(诸如，马达(motor)、发电机和类似装置)中使用的轴承(这对轴承滚道特别不利(/有害)(detrimental))，则在轴承可能会损坏。已经开发了诸如接地刷(grounding brush)的装置来提供用于电流的替代路径，从而防止这种电流经过轴承。这些装置通常包括绕着轴的整个外表面在周向上间隔开以形成相对实心(solid)的纤维环的多条导电纤维，使得电流经过位于轴与座(/轴承座/壳体)(housing)之间的纤维。为了防止电流经过轴承，设置其他装置或机构以使轴承电绝缘，并且其他装置或机构可以包括绝缘涂层或覆盖物。
发明内容
在一个方面，本发明是一种用于可布置在轴与座(/轴承座/壳体)(housing)之间的轴承的组合式电绝缘体和导体组件，轴承具有内圈、外圈以及位于圈之间的多个滚动元件，外圈具有圆周外表面以及相对的第一轴向端部和第二轴向端部，座具有圆周内表面。所述组件包括环形绝缘体，环形绝缘体可绕着外圈布置，并且被构造为防止电流在外圈与座之间流动。电导体(/导电体)(electrical conductor)具有至少一个保持件、径向外端部和径向内端部，至少一个保持件与绝缘体可释放地接合，以使导体与轴承联接。导体的径向外端部或/和导体的位于外端部与内端部之间的部分可与座导电地接合，并且导体的径向内端部可与轴导电地接合，以在轴与座之间提供导电路径。
优选地，导体包括导电盘(electrically conductive disk)，导电盘与绝缘体联接，以在轴向上与轴承相邻。盘具有：中心线；径向外端部，可与座的内表面接合；径向内端部，限定用于接纳轴的一部分的中心开口；以及弧形夹子(/弓形夹子)(arcuate clip)，至少一个且优选为多个，提供所述至少一个保持件。每个夹子与绝缘体的环形槽接合，以使盘与轴承可释放地联接。环形导电刷子组件(annular conductive brush subassembly)与导电盘联接，并且包括中心线和多条导电纤维，导电纤维绕着中心线在周向上间隔开并且从导电盘的内端部在径向上向内延伸。每条导电纤维具有可与轴的外表面接触的内端部，以在轴与盘之间提供导电路径。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及本发明的优选实施方式的详细描述。出于说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的示意性实施方式。然而，应理解，本发明不限于所示出的精确配置和实施。在附图中：
图1是根据本发明的组合式绝缘体和导体组件的立体图，示出为安装在轴承上；
图2是组合式绝缘体和导体组件的前视平面图；
图3是组合式绝缘体和导体组件的侧视平面图；
图4是组合式绝缘体和导体组件的轴向截面图，示出为安装在轴上和座内；
图5是通过导体的保持件截取的组合式绝缘体和导体组件的一部分的剖开的放大轴向截面图；
图6是图5的上部的剖开的进一步放大的视图；
图7是图6的一部分的进一步放大的视图；
图8是图4的上部的剖开的进一步放大的视图；
图9是图7的组件的一部分的剖开的放大视图，示出了在安装过程期间，导体与绝缘体分离；以及
图10是组合式绝缘体和导体组件的剖开的轴向截面图，示出为安装在作为另一种选择的应用中。
具体实施方式
在以下描述中使用的某些术语仅是为了方便，而不是限制性的。词语“内”、“向内”和“外”、“向外”分别指的是朝向和远离所描述的元件的指定中心线或几何中心的方向，特别含义从说明书的上下文中是显而易见的。此外，如在此所使用的，词语“连接”和“联接”各自旨在包括：两个构件之间的直接连接，没有任何其他构件介于它们之间；以及构件之间的间接连接，其中，一个或多个其他构件介于它们之间。术语包括上面具体提到的词语、它们的派生词和类似含义的词语。
现在详细参照附图(其中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件)，在图1至图10中示出了用于轴承1的组合有电绝缘体和导体的组件10，轴承1可布置在可绕着中心轴线AC旋转的轴2与座(/轴承座/壳体)(housing)3之间。轴承1具有：内圈4；外圈5，带有相对的第一轴向端部5a和第二轴向端部5b以及外表面5c；以及多个滚动元件6，布置在圈4与圈5之间。轴2具有圆周外表面2a，该圆周外表面2a由轴2自身或由安装在轴2上的套筒或其他部件(未示出)提供，并且至少表面2a(优选整个轴2和/或套筒/部件)是导电的。此外，座3具有限定孔7的圆周内表面3a，该圆周内表面3a可以是主座3自身的表面或布置在座3内的环形部件的表面。优选地，轴承1、轴2和座3是以下机器的部件：马达(motor)、或其他电机(例如，发电机)、或具有可能积聚电荷或传送电流的旋转部件的任何其他机器。组合有绝缘体和导体的组件10主要包括：环形绝缘体12，可绕着轴承的外圈5布置；以及电导体(/导电体)(electrical conductor)14，带有至少一个保持件16，该至少一个保持件16与绝缘体12可释放地接合，以使导体14与轴承1联接。
具体地，绝缘体12总体上是管状或圆柱形的，具有中心线13且优选地具有绕着中心线13在周向上延伸的环形槽18，并且被构造为防止电流在轴承的外圈5与座3之间以及在圈5与导体14之间流动，并且因此流过轴承1。也就是说，绝缘体12由电绝缘材料形成或者具有一个或多个电绝缘层(如下面论述的)。导体14具有中心线15(与绝缘体的中心线13同轴)、径向外端部14a和径向内端部14b，该至少一个保持件16优选地布置在导体的径向外端部14a处并提供导体的径向外端部14a。优选地，导体14具有均布置在径向外端部14a处并绕着中心线15在周向上间隔开的多个保持件16，且每个保持件16可与座的内表面3a导电接合，以在导体14的其余部分与座3之间提供单独的导电路径。
此外或作为另一种选择，导体14的位于径向外端部14a与径向内端部14b之间的部分可与座3导电地接合，诸如通过与座3的径向肩部3b(图10)或者机器的部件7(图10)(例如，弹簧、销等)接触而与座3导电地接合。如在此所使用的，术语“可导电地接合”表示通过直接接触或者通过与一个或多个中间部件或构件接触来建立导电路径，以使电流能够在所接合的构件(特别是导体14和座3)之间流动。此外，每个保持件16优选地包括弧形夹子(/弓形夹子)(arcuate clip)20，该弧形夹子20具有与导体14的其余部分连接的第一腿部22和相对于第一腿部22可偏转(/偏斜)(deflectable)的第二腿部24，该第二腿部24具有布置在绝缘体的环形槽18内的自由端部24a(如下面论述的)。
当组合有绝缘体/导体的组件10安装在轴承1(轴承1随后安装在轴2与座3之间)上时，导体14的径向外端部14a优选地与座3导电地接合，优选地与内表面3a导电地接合，并且最优选地通过如上面论述的多个保持件16的接合与座3导电地接合，和/或导体14的中间部分如上面论述地接合。导体14的径向内端部14b优选地通过优选的多条导电纤维26(如下面进一步详细描述的)与轴的外表面2a导电地接合。这样，导体14在轴2与座3之间提供导电路径，并且用于将轴2上的电流或电荷分路(shunted)为远离轴承1。因此，组合式绝缘体和导体组件10用于通过防止直流电流流过轴承1(即，由于绝缘体12)以及通过借助于导体14为轴承1附近的电流提供替代路径来保护轴承1的目的。上面已经描述了主要结构和功能，下面详细论述组件的这些和其他部件。
现在仍然参照图1至图10，绝缘体12优选地包括：绝缘环30，与轴承的外圈5的第一轴向端部5a联接，优选如下所述地成型(/模制)(mold)到其上，并且提供联接槽18；以及管状绝缘主体(tubular insulator body)32，绕着外圈5布置并且与绝缘环30联接。绝缘环30由绝缘材料形成，优选由玻璃填充式尼龙(glass-filled Nylon)形成，最优选由PA66-GF35形成，但也可以由任何其他合适的材料形成。
现在参照图4至图10，绝缘环30总体上是圆形的，并且具有抵靠轴承的外圈的第一轴向端部5a布置的轴向内端部30a、相对的轴向外端部30b以及限定孔30c的圆周内表面34。此外，环30还具有：第一圆周外表面部分(section)36，与外圈的外表面5c总体上齐平；径向较大的第二圆周外表面部分38；以及径向止动表面(stop surface)37，在第一圆周外表面部分36与第二圆周外表面部分38之间延伸。多个弧形突起39(图8)从第一外表面部分36在径向上向外延伸并且与轴向内端部30a相邻地布置，每个突起39可布置在管状主体32的槽42(如下所述)内。此外，环形槽18优选地从第二外表面部分38在径向上向内延伸(如图所示)，但作为另一种选择，环形槽18可以从圆周内表面34在径向上向外延伸(结构未描绘)。此外，环30还具有在轴向外端部30b和第二外表面部分38之间延伸的倒角(chamfer)30d。
仍然参照图4至图10，管状绝缘主体32总体上是圆柱形的，并且具有相对的圆周内表面33和圆周外表面35以及相对的第一轴向端部32a和第二轴向端部32b。绝缘主体32优选由铝形成，并且具有形成在圆周表面33、35中的任一者或两者上的至少一个氧化层，至少一个氧化层优选通过阳极氧化(anodization)形成，但作为另一种选择，绝缘主体32可以由合适的绝缘材料(例如，刚性聚合物或陶瓷)或另一种阳极化金属材料形成。主体32的圆周内表面33可绕着轴承的外圈5的外表面5c布置，并且圆周外表面35优选可与座的内表面3a摩擦地接合，以在轴向上保持轴承1和组件10，但外表面35可以仅抵靠座的内表面3a布置/布置在座的内表面3a内，而没有摩擦接合。
此外，管状主体32具有径向凸缘40，径向凸缘40从主体的第二轴向端部30b向内延伸并且可抵靠外圈的第二轴向端部5b布置。主体32的尺寸使得当安装在外圈5上时，第一轴向端部32a与外圈的第一轴向端部5a在轴向上向外间隔开，使得内表面33的一部分33a延伸超出外圈的第一端部5a。环形槽42从内表面33在径向上向外延伸，并且定位为与外圈的第一轴向端部5a相邻。当绝缘体12绕着轴承的外圈5安装时，管状主体的内表面33的一部分33a绕着环30的第一外表面部分36布置，管状主体的第一轴向端部32a抵靠环的径向止动表面37布置，并且多个环突起39布置在管状主体的环形槽42内。
参照图5和图8，在上述结构的情况下，优选的两件式绝缘体12以下面的方式绕着轴承的外圈5安装。首先，通过如下方式将绝缘主体32绕着轴承的外圈5安装：将轴承的第二轴向端部5b插入到管状主体32的第一轴向端部32a中，然后使主体的内表面33绕着圈的外表面5c滑动，直到凸缘40抵接(/抵靠)圈的第二端部5b并且绝缘主体的第一轴向端部32a与轴承的圈的第一轴向端部5a间隔开。然后，通过如下方式将绝缘环30安装在轴承的外圈5上：将环的轴向内端部30a插入到管状主体的第一轴向端部32a中，直到绝缘环的轴向内端部30a抵接轴承的圈的第一轴向端部5a。此时，绝缘环的突起39(图8)布置在管状主体的槽42内，并且管状主体的第一端部32a抵接环的止动表面37。优选地，然后将绝缘环30成型(例如，通过施加热)到轴承的外圈5，以绕着轴承1固定地保持绝缘体12。
再次参照图1至图10，导体14优选地包括：导电盘(electrically conductivedisk)50，与绝缘体12联接(即，通过(多个)保持件16)，以在轴向上与轴承1相邻；以及刷子组件(brush subassembly)52，与盘50联接并且提供可与轴2接触的多条导电纤维26(如下面论述的)。更具体地，导电盘50具有：中心线51；径向外端部50a，提供保持件16；径向内端部50b，限定用于接纳轴2的一部分的中心开口54；以及相对的第一轴向端部50c和第二轴向端部50d。此外，导电刷子组件52具有中心线53，并且导电纤维26绕着中心线53在周向上间隔开并且从导电盘50的内端部50b在径向上向内延伸。每条导电纤维26优选地由碳形成，并且具有可与轴的外表面2a接触的内端部26a，以在轴2与盘50之间提供导电路径。由于盘50被构造为在刷子组件52与座3之间提供导电路径，因此轴2上的任何电流或电荷被引导流过组件10，而不是流过轴承1。
更具体地，导电盘50总体上是圆形的，并且优选由导电金属材料形成，最优选由铝形成，但是可以由任何其他合适的材料(例如，低碳钢)形成。保持件16优选由导电盘50的多个一体化弧形部(未描绘)提供，多个一体化弧形部从盘的外端部50a向外延伸并且从第二轴向端部50d大体上在轴向上延伸。弧形部各自弯曲以形成一个夹子(/夹)(clip)20，夹子20具有通过中央铰接部(central hinge portion)25接合的第一腿部22和第二腿部24，当将导体14安装在绝缘体12上时，第二腿部24可绕着铰接部25大体上在径向上向外偏转(如下所述)。优选地，盘50具有圆形凸缘55，该圆形凸缘55从盘的径向内端部50b在轴向上延伸并且远离第二轴向端部50d延伸，因此朝向轴承1。此外，导电盘50优选地还包括绕着中心线51在周向上间隔开的多个安装凸片58，每个安装凸片58与刷子组件52接合以使子组件52与盘50联接。
优选地，导电盘50由冲压金属材料形成(优选由铝形(如上面论述的))，冲压金属材料首先被模切(die cut)，以形成限定内端部50b的中心开口54、绕着外端部50a间隔开的多个保持件部分以及多个矩形凸片58和相邻的间隙孔(clearance hole)59。间隙孔59为流体(例如，润滑剂、空气等)提供通道，以使流体(例如，润滑剂、空气等)流过导电盘50，从而流入轴承或者从轴承1流出。然后，在随后的成形操作中，使外弧形部弯曲以制造夹子20，并且使凸片58绕着刷子组件52的保持件60(下面描述)弯曲，使得每个被接合的安装凸片58大体上为C形。
参照图7和图9，导电盘50通过如下方式与绝缘体12联接：使盘50朝向安装在轴承1上的绝缘体12在轴向上移位，直到每个保持件夹子的第二腿部24的自由端部24a接触绝缘体环30的倒角30d。随着使盘50进一步朝向轴承1前进，每个夹子20的第二腿部24绕着铰接部25弯曲，以随着自由端部24a沿着倒角30d滑动而在径向上向外移位，然后沿着环的第二外表面部分38的一部分在轴向上滑动，直到向内“卡扣(/卡入)(snapping)”到槽18中。此时，导体14与绝缘体12可释放地或可移除地联接。之后，可以通过如下方式将导体14从绝缘体12(因此从轴承1)移除：拉动盘50远离绝缘体12以使保持件夹子20从槽18脱离，然后脱离绝缘体的环30。
现在参照图1、图2、图4至图6以及图10，导电刷子组件52优选地包括环形保持件60，环形保持件60与导电盘50(如上所述)连接。最佳如图6所示，环形保持件60具有敞开的径向内端部60a和封闭的外端部60b，径向内端部60a带有环形槽62。多条导电纤维26中的每一条具有布置在槽62内的径向外端部26b，并且从保持件60在径向上向内且朝向轴2延伸。更具体地，保持件60具有外轴向基部64和两个相对的径向腿部(leg)66，使得保持件60大体上具有C形的轴向截面。保持件的腿部66优选地夹紧(/夹持)(clamp)导电纤维26的外端部26b，以将纤维26保持在槽62内。
此外，刷子组件52优选地包括布置在保持件槽62内的圆形箍(circular hoop)68，并且多条导电纤维26中的每一条绕着箍68弯曲。这样，每条导电纤维26优选大体上为U形或V形，并且具有可与轴的外表面2a接触的两个内端部18a。然而，导电纤维26中的每一条可以被配置为作为大体上为直的股(/股线)(strand)(未示出)从径向外端部18b延伸到径向内端部18a。
此外，刷子组件52的多条导电纤维26被配置为大体上连续的纤维环(未示出)，或者优选地被配置为多个在周向上间隔开的纤维26的离散组28。在后一种优选情况下，纤维26的组28优选地通过对包括连续纤维26环的刷子组件52进行模切来形成，使得可与轴2接触的纤维组28被较短长度的纤维26的组29间隔开。此外，每条导电纤维26的尺寸优选具有在五微米(5μm)至一百微米(100μm)的范围内的直径。尽管如上面论述的，每条导电纤维26优选地由碳形成，但是作为另一种选择，纤维26可以由任何合适的导电材料(诸如，金属材料、导电聚合物等)制成。
尽管如上所述并且如在附图中所描绘的，导体14优选地包括导电盘50和刷子组件52，但是作为另一种选择，导体14可以以既可与绝缘体12联接又能够在轴2与座3之间提供一条或多条导电路径的任何其他合适的方式形成。例如，导体14可以包括导电材料的实心环(solid ring)(未示出)(而非刷子组件52)，导电材料的实心环附接到导电盘50并且可与轴2导电地接合，环具有连续的内圆周接触表面、或由在径向上向内延伸的突起提供的多个弧形接触表面部分。作为另一替代方案，导电盘50可以形成为具有可与轴的外表面2a接触的内端部50b，以在轴2与盘50之间提供直接导电路径。本发明的范围包括能够总体上如在此所描述地起作用的导体14的这些构造和所有其他合适的构造。
与先前已知的装置相比，本绝缘体/导体组件10在保护轴承1免受由电流引起的损坏方面更加有效。绝缘体12有效地防止通过轴承1在轴2与座3之间形成(/产生/建立)电压差，使得防止电流流过内圈4和外圈5以及滚动元件6。为了进一步确保电流不会流经轴承1，导电盘50和刷子组件52为轴2上的任何电荷或电流提供替代路径，以(使电荷或电流)通过导电纤维26到达保持件60，通过保持件60并且进入导电盘50，然后通过保持件夹子20并且进入座3。
进入座3的另外或替代的导电路径可以通过座3的一部分(例如，径向肩部)或布置在座3内的机器的部件7(诸如，弹簧、销等)与导电盘50的表面(如图10所示)或/和环形保持件60的表面之间的轴向接触来提供。因此，轴2上的位于轴承1的区域中的任何电荷或电流不仅被绝缘体12防止通过轴承1，而且被分路以流经刷子组件52和导电盘50。此外，组件10可以由制造商或分销商安装在轴承1上，使得具有组合有绝缘体和导体的组件10的轴承1可以作为准备安装在轴2上和座3内的整个组件提供给客户或最终用户。
本领域技术人员将理解，可以在不脱离其广泛的发明构思的情况下对上述实施方式做出改变。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是旨在涵盖如所附权利要求中总体上限定的本发明的精神和范围内的变型。

Claims (10)

1.一种组合有电绝缘体和导体的组件，所述组件用于能够布置在轴与座之间的轴承，所述轴承具有内圈、外圈以及布置在所述内圈与所述外圈之间的多个滚动元件，所述外圈具有圆周外表面以及相对的第一轴向端部和第二轴向端部，所述轴具有圆周外表面并且所述座具有圆周内表面，所述组件包括：
环形绝缘体，能够绕着所述外圈布置，并且被构造为防止电流在所述外圈与所述座之间流动；以及
电导体，具有至少一个保持件、径向外端部和径向内端部，所述至少一个保持件与所述绝缘体能够释放地接合，使得将所述导体与所述轴承联接，所述径向外端部和所述导体的位于所述径向外端部与所述内端部之间的部分中的至少一者能够与所述座导电地接合，并且所述径向内端部能够与所述轴导电地接合，使得在所述轴与所述座之间提供导电路径。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述绝缘体具有环形槽，并且所述至少一个保持件包括弧形夹子，所述弧形夹子具有与所述导体连接的第一腿部和能够相对于所述第一腿部偏转的第二腿部，并且所述第二腿部具有布置在所述绝缘体的槽内的自由端部。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述导体具有各自布置在所述导体的径向外端部处并且绕着中心线在周向上间隔开的多个所述保持件，每个保持件能够与所述座的内表面导电地接合，使得在所述导体与所述座之间提供单独的导电路径。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述绝缘体包括：
绝缘环，与所述轴承的外圈的第一轴向端部联接，并且由电绝缘材料形成；以及
管状绝缘主体，具有能够绕着所述轴承的外圈的外表面布置的圆周内表面、能够与所述座的内表面接合的圆周外表面、与所述绝缘环联接的第一轴向端部以及相对的第二轴向端部，所述绝缘主体由电绝缘材料形成或者在所述内表面和所述外表面中的至少一者上设置有绝缘层。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述管状绝缘主体具有环形槽，所述环形槽从所述管状绝缘主体的圆周内表面在径向上向外延伸并且与所述管状绝缘主体的第一轴向端部相邻地布置，并且所述绝缘环具有环形肩部，所述环形肩部从所述绝缘环的圆周外表面在径向上向外延伸并且布置在所述绝缘主体的槽内，以使所述环与所述绝缘主体联接。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电导体包括：
导电盘，具有径向外端部和径向内端部，所述至少一个保持件与所述盘的外端部连接，所述导电盘的径向内端部限定用于接纳所述轴的一部分的中心开口；以及
环形导电刷子组件，与所述导电盘联接，并且包括中心线和多条导电纤维，所述导电纤维绕着所述环形导电刷子组件的中心线在周向上间隔开，并且从所述导电盘的内端部在径向上向内延伸，每条导电纤维具有能够与所述轴的外表面接触的内端部，使得在所述轴与所述盘之间提供导电路径。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述导电盘具有中心线，并且还包括绕着所述导电盘的中心线在周向上间隔开的多个安装凸片，每个安装凸片与所述刷子组件接合以使所述刷子组件与所述导电盘联接。
8.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述导电刷子组件包括环形保持件，所述环形保持件与所述导电盘连接，并且具有带有环形槽的径向内端部，所述多条导电纤维中的每一条导电纤维具有布置在所述环形保持件的槽内的径向外端部，并且从所述保持件在径向上向内且朝向所述轴延伸。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述刷子组件还包括布置在所述保持件内的圆形箍，并且所述多条导电纤维中的每一条导电纤维绕着所述箍弯曲，使得每条纤维具有能够与所述轴的外表面接触的两个端部。
10.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述刷子组件的多条导电纤维配置在多个在周向上间隔开的离散纤维组中。
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