DE2149909A1

DE2149909A1 - Federeinrichtung fuer Buerstenhalter von elektrischen Drehankermaschinen

Info

Publication number: DE2149909A1
Application number: DE19712149909
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Egawa; Sadaharu Kawai; Shoji Motegi; Toshio Nakamura; Yasuzi Sakuma
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-10-07
Filing date: 1971-10-06
Publication date: 1972-04-13
Also published as: AU431646B2; ES202548U; AU3415571A; US3816783A; ES202548Y; JPS5116603B1

Description

PATENTANWALTS DR. O. DlTTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÜNBR DIPL. ING. P. 8TRBHL

β MÜNCHEN »Ο MARIAHILFPLATZSkS ' (t I H V s) U V

Beschreibung
zu der Patentanmeldung

der Firma

HITACHI, LIMITED

1-5-1» Marunouchi, Chiyoda-ku Tokyo / Japan

betreffend

Federeinrichtung für Bürstenhalter von elektrischen Drehankermaschinen

Priorität: 7. Oktober 1970, Japan, Nr. 87 553

Die Erfindung betrifft Bürstenhalter für elektrische Drehanke maschinen, die Bestandteil von Stromkollektoren, d .h. des Kommutators und des Schleifringes sind, und insbesondere auf eine Federeinrichtung für die Bürstenhalter derselben.

Bei den Bürstenhaltern eines Elektromotors für eine elektrische Lokomotive werden im allgemeinen Spiralfedern verwendet, um die Bürste fest auf die Oberfläche an dem Kommutator zu drücken. Diese Druckeinrichtung für die Bürste unter Verwendung von Spiralfedern ist recht einfach, das Gewicht desselben ist gering und ferner zeigt diese Einrichtung eine gute Zusammenwirkung mit der Bürste und auch eine gute Erschütterungsfestigkeit. Daher wird diese Einrichtung häufig als Bürstenhalterung für Elektromotoren für elektrische Lokomotiven verwendet, wobei sie gewöhnlich unter den schwersten Bedingungen arbeitet.

209816/0987

2U9909

In letzter Zeit ist es erwünscht, die Geschwindigkeit der Elektrolokomotive zu erhöhen und ihre Maschinen wartungsfrei zu machen. Um diese Bedingungen zu erfüllen, wurde versucht, die inspektionsintervalle und die Austauschzeiten der Bürste dadurch zu verlängern, daß sie länger gemacht und ihr Abrieb vermindert wurde.

Bei herkömmlichen Bürstenhaltern ändert sich die vertikale Kraftkomponente, die auf die Bürste wirkt, stark mit der Höhe der Bürste. Folglich ist es erwünscht, die vertikale Kraft im anfänglichen Stadium hoch zu machen, so daß die vertikale Kraftkomponente in dem letzten Stadium der Bürste nicht ex- . trem niedrig wird. Dies bedeutet einen begrenzten Druckpunkt für die Bürste. Wenn die vertikale Kraft unter ein bestimmtes Niveau fällt, wird es schwierig, die Bürste in ihrer Lage zu halten. Die Bürste springt auf dem sich drehenden Leiter, woraus sich eine unzureichende Stromabnahme und Kommutation ergibt und schließlich die elektrischen Charakteristiken der elektrischen Drehankermaschine reduziert werden. V/enn die Bürste springt, kommt es ferner zur Funkenbildung zwischen der Bürste und den Leitern,und die Bürste wird durch diese elektrische Erscheinung, unnormal verschlissen. Wenn die vertikale Kraftkomponente in dem Anfangsstadium sehr hoch gemacht wird, tritt ein außergewöhnlich starker mechanischer Abrieb der Bürste auf.

Wenn sich die vertikale Kraft stark ändert, ist die Bürste in einer verhältnismäßig kurzen Zeit verbraucht, d.h. die Haltbarkeit der Bürste nimmt ab, und es ist schwierig,die Bedingung der Wartungsfreiheit bei dem Bürstenhalter zu erfüllen.

Da die maximale horizontale Komponente bei den herkömmlichen Bürstenhaltern mit einer Spiralfeder gelegentlich einen Wert von 50 - ¹^O % der tangentialen Komponente erreicht, wird die Bürste an die Seitenwand des Bürstenhalterrahmens gedrückt und neigt sich gegenüber der Senkrechten» Durch diese Neigung tritt eine unnormale Abnutzung der Bürste auf, und die Bürste

209816/098 7

^|;- , 2 U 99 09 "

"~ ρ —

kann nieforB 'positiv auf dem Leiter sitzen. Das gute Zusammenwirken zwischen der Bürste und dem Leiter wird dadurch verschlechtert. Dadurch können schließlich auch die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Drehankermaschine herabgesetzt werden.

Um diese Mangel zu überwinden, wurde versucht, das Maß der Neigung der Bürste dadurch zu reduzieren, daß die Bürstenhöhe langer gemacht wurde. Bei dieser Konstruktion wird jedoch die horizontale Komponente außergewöhnlich groß gemacht, wobei sie die vertikale Komponente übersteigt. Daher wird die Bürste sehr stark auf die Seitenwand des Bürstenhalterrahmens gedrückt, und ein.guter Gleitkontakt zwischen der Bürste u^d dem Leiter wird zerstört.

Ferner wird bei steigender Drehzahl der elektrischen Drehanker-• maschine der Bereich der Schwingungsfrequenz, der an der Bürste auftritt, breit, wobei die Bürstenhaltereinrichtung mit der obenerwähnten einfachen Spiralfeder dazu neigt, bei einer Frequenz in dem genannten Bereich in Resonanz zu schwingen.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Spiralfedereinrichtung für Bürstenhalter für elektrische Drehankermaschinen zu schaffen, durch die die Stromabnahme und die Kommutation der Maschine verbessert wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung soll sich dabei besonders für Maschin ei mit hoher Drehzahl eignen, wobei darüber hinaus die Wartungsintervalle verlängert werden sollen.

Eine Federeinrichtung für Bürstenhalter einer elektrischen Drehankermaschine wird nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kurz gesagt so ausgeführt, daß zwei Arten von Federn kombiniert werden, d.h. eine herkömmliche Spiralfeder und eine V-förmige Blattfeder werden in solch einer V/eise kombiniert, daß ein Auslenkungswinkel der V-förmigen Blattfeder einem Auslenkungswinkel der Spiralfeder entgegengerichtet ist, so daß die horizontale Komponente der Druckkraft der Spiralfeder auf die Bürste durch eine horizontale Komponente der Druckkraft

? 0 9 fi 1 ⁿ> / Π 9 8 7 ■

-⁴- 2U9909

der V-fÖrmigen Blattfeder auf die Bürste in sämtlichen Stellungen der Bürste kompensiert wird. Die V-förmige Blattfeder sitzt vorzugsweise an dem freien Ende der Spiralfeder. Mit anderen Worten ist die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung die, daß die Druckkraft, die auf die Bürste durch die kombinierte Federeinrichtung ausgeübt wird, nur aus einer vertikalen Komponente besteht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und eine bekannte Federeinrichtung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentartige Seitenansicht eines biskannten

Bürstenhalters;
Fig.2 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ablenkungswinkel von e inem Bezugspunkt und der

tangentialen Kraft der Spiralfeder von Fig.1 darstellt; Fig. 3 eine Übersichtsskizze der erfindungsgemäßen Kombination

mit der Druckfeder des Bürstenhalters;. Fig. 4 eine fragmentartige Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bürstenhalters, wobei die Bürste unter Druck dargestellt

ist;
Fig.5 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ablenkungswinkel von einem Bezugspunkt und der tangentialen Kraft der Kombinations-3edereinrichtungen

gemäß den Fig.3 und 4- darstellt; Fig. 6 eine abgewandelte, erfindungsgemäße Kombinatioes-Feder-

einrichtung in einer fragmentartigen Seitendarstellung; Fig. 7 eine fragmentartige Seitenansicht einer weiteren abgewandelten, erfindungsgemäßen Kombinations-Federeinriehtung;

und
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 7 gezeigten Einrichtung.

Fig.1 zeigt eine bekannte Bürsten-Druckeinrichtung der eingangs genannten Art. Eine Spiralfeder 1, die aus einer dünnen Blattfeder hergestellt ist, ist mit ihrem inneren Ende durch einen

209816/0987

— *2 —

feststehenden Axialteil 3 festgelegt. An dem äußeren Ende oder freien Ende der Spiralfeder ist ein Plattenteil 2 "befestigt, durch den die aufgespeicherte Druckenergie der Feder auf eine Bürste 4 ausgeübt wird. Der Plattenteil 2 ist um einen festen Axialteil 3 drehbar. Die Richtung des Federdruckes, der durch den Plattenteil auf ein Ende der Bürste ausgeübt wird, ist tangential zu der Drehbewegungsbahn oder dem Ort des Plattenteils. Folglich ist am Anfangsstadium die tangentiale Kraft P. gegenüber der Senkrechten nach links gerichtet. Die tangentiale Kraft Vy, hat eine horizontale Komponente Ph, so daß die vertikale Komponente Pv, die die Bürsten axial auf den sich drehenden Leiter drückt,kleiner als die tangentiale Kraft P^ wird.

Wenn sich die Bürste 4 durch Abrieb in die Stellung bewegt, die als 4a dargestellt ist, fällt die tangentiale Richtung der Bahn mit der Längsachsenrichtung der Bürste, d.h. der Senkrech-• ten zusammen, so daß die Tangentialkraft Pp selbst gleich der vertikalen Kraft Pv¹ ist und die gesamte gespeicherte Energie der Feder als Druckkraft auf die Bürsten zur Verfügung steht.

Wenn die Bürste 4 sich weiter in die Stellung bewegt, die als 4b dargestellt ist, ist die tangentiale Kraft P, gegenüber der Senkrechten nach rechts gerichtet. Die tangentiale Kraft P-, weist eine horizontale Komponente Ph auf, so daß die vertikale Komponente Pv" , die die Federn tatsächlich auf den sich drehenden Leiter drückt, kleiner als die tangentiale Kraft P, wirkt.

Fig.2 zeigt eine Beziehung zwischen dem Auslenkungswinkel von einem Bezugspunkt und · der tangentialen Kraft, um die Druckkraft der in Fig.1 gezeigten Feder zu erklären. V/ie aus Fig.2 zu ersehen ist, sind die tangentialen Kräfte P^, Pp und P, proportional zu den Auslenkungswinkeln d ,,, öp»Pz respektive, wie durch eine gerade Linie K_x, gezeigt ist. Die vertikale Komponente, die auf die Bürste 4 wirkt, ist ,jedoch Pv, IV und Pv", wenn die Auslenkungswinkel *, <Λ~,·β^ζνΓ·£χ sind. Die Beziehung zwischen dem Auslenkungswinkel und der vertikalen Komponente ist die gekrümmte Linie, die als Kv gezeigt ist.

209816/0987

Die in den Fig.3 und 4 gezeigte Spiralfeder 10 ist aus einer langen dünnen Blattfeder gewickelt. Das innere Ende der Spiralfeder 10 ist an dem ortsfesten Axialteil 30 befestigt. Auf einem äußeren Ende oder freien Ende der Spiralfeder 10 ist eine Blattfeder 50 so befestigt, daß der Auslenkungswinkel 6a der Spiralfeder 10 dem Auslenkungswinkel <£b der V-förmigen zweiten Blattfeder entgegengerichtet ist. Die in Fig.4 gezeigte, V-förmige Blattfeder 50 ist nur aus einer einschichtigen Feder hergestellt, die V-förmige Blattfeder kann jedoch auch durch Aufeinanderschichten mehrerer Blattfedern hergestellt werden. Ein Plattenteil 20 überträgt die gespeicherte Energie der Kombinationsfeder auf- die Bürste 40. Der Plattenteil 20 ist an dem freien Ende der V-förmigen Blattfeder befestigt. Ein Anschlag JOa erstreckt sich senkrecht von dem festen Ende der V-förmigen Blattfeder 50, und das Ende des Anschlages 50 a ist umgebogen, so daß es an einem vorstehenden Abschnitt 50 b des anderen Endabschnittes oder freien Endes der V-förmigen Blattfeder 50 angreift.

Die Kombinations-ie&ereinrichtung des Bürstenhalters ist so aufgebaut, wie oben erläutert wurde. Bei dem anfänglichen Stadium der Bürste 40 ist die Tangentialdruckkraft der Spiralfeder 10 nach links gerichtet, die tangentiale Druckkraft der V-förmigen Blattfeder 50 ist jedoch nach rechts gerichtet, und die horizontalen Komponenten der beiden Tangentialkräfte heben sich gegenseitig auf. Dadurch wird die Druckkraft, die auf die Bürste 40 wirkt, nur gleich der vertikalen Komponenten.

Die Richtung beider Tangentialkräfte ändert sich wechselweise an einer vorbestimmten Lage. In allen Stellungen der Bürste . erscheint die horizontale Komponente bei der erfindungsgemäßen Kombinations-Federeinrichtung überhaupt nicht.

Folglich ist in jeder Stellung der Bürste die Druckkraft, die auf die Bürste ausgeübt wird, Lnimer senkrecht gerichtet und der Plattenteil 20 wird immer horizontal gehalten.

Wenn die Federkonstan:ten.jd$r::Spiralfeder 10 und der V-förmigen

Blatt feder 50 respektive Ka und Kb sind, wie in FLg, 5 dargestellt

2098 Iß/0987

2U99.09 ■

ist, dann ist die 3?ederkonstante der resultierenden Kombinationsfeder, d.h. die Federkonstant-e der in Reihe geschalteten Feder, durch folgende Gleichung gegeben:

^pio _ ^pio

¹⁰

Ka + Kb <Sa + <5b

In der vorstehenden Gleichung ist οa der Auslenkungswinkel der Spiralfeder 10 in ihrem ursprünglichen Stadium, $\> der Auslenkungsv/inkel der V-förmigen Blattfeder 50 in ihrem ursprünglichen Zustand, & ^q eine Summation von S a und ο b und gibt den Auslenkungswinkel der aus der Spiralfeder 10 und der Blattfeder 50 - -kombinierten Feder bei ihrer ursprünglichen Lage an, und P.Q stellt die Druckkraft der kombinierten Feder auf die Bürste 40 in ihrer ursprünglichen Lage dar.

Die Federkonstante der kombinierten Feder, die durch Verbinden der genannten beiden Federn entsteht, wird kleiner als herkömmliche Werte. Andererseits wird die Variation der Druckkraft auf die Bürste 40 reduziert, ebenso wie P^q₅ P/qi und P^qu gegenüber dem Auslenkungswinkel d\]Q, ^q¹ bzw. J 10"·

Während die Höhe der Feder abnimmt, nimmt die Druckkraft der kombinierten Feder aui' die Bürste ab. Mit anderen Worten kann die Druckkraftcharakteristik in Abhängigkeit von der Masse der Bürste erreicht werden. Folglich wird der Abrieb der Bürste durch mechanische und elektrische Einflüsse bis auf ein Minimum herabgesetzt.

Da ferner die horizontalen Komponenten der Spiralfeder und der V-förmigen Feder sich gegenseitig aufheben und der Plattenteil 20 während allen Lagen der Bürste horizontal gehalten wird, kann die Bürste auf dem Leiter fest aufsetzen,und auch das Zusammenwirken zwischen der Bürste und dem Leiter wird verbessert. Folglich wird der Stromabgriff und die Kummuationseigenschaft der elektrischen Drehankermaschine verbessert.

Zusätzlich kann, da der Plattenteil 20 im wesentlichen in einer horizontalen Lage gehalten wird, die Höhe der Bürste

209310/0987

größer gemacht werden, so daß das Inspektionsintervall der Bürste verlängert werden kann.

Ferner kann die Resonanzfrequenz der kombinierten Feder dadurch gesteuert werden, daß Jede der Frequenzen der beiden Federn einzeln eingestellt werden. Dadurch wird eine Resonanz der kombinierten Feder wirksam verhindert, selbst wenn die elektrische Drehänkermaschine mit hoher Drehzahl läuft, wobei die Resonanzfrequenz der Maschine in einem breiten Bereich schwankt.

Da der Plattenteil 2 der herkömmlichen Spiralfeder (Fig.1) je nach der Lage der Bürste geneigt ist und der Druckpunkt des Plattenteiles 2 auf die Bürste variiert, ist die Höhe der rechteckigen Bürste, die in Fig.6 gezeigt ist, begrenzt. *■ Selbst wenn die Ecken der Bürste abgerundet sind (Fig.iund 3) 'kann sie nicht fest auf dem Leiter sitzen, wenn ihre Höhe vergrößert wird. Andererseits ist bei der erfindungsgemaßen Feder, bei der der Plattenteil 20 während sämtlicher Stellungen der Bürste in der horizontalen gehalten wird, die kantige Form der Bürste keine Begrenzung,und ihre Kantenformen können je nach den Umständen gewählt werden.

Da der Anschlag 50a und der Angriff steil 50b an jeweiligen Endabschnitten der V-förmigen Blattfeder angeordnet sind, um den Auslenkungswinkel derselben auf einen vorbestimmten Betrag zu begrenzen, kann das Einsetzen und Herausnehmen der Bürste aus dem Bürstenhalterrahmen leichter durchgeführt werden, ohne daß Schwierigkeiten auftreten, und der Plattenteil 20 kann leicht und bequem auf einem vorbestimmten Endabschnitt der Bürste angeordnet werden.

In der vorhergehenden Beschreibung wurde nur eine V-förmige Blattfeder als zweite Federeinrichtung angegeben, die an dem äußeren oder freien Ende der Spiralfeder befestigt ist. Die zweite Federeinrichtung kann jedoch auch eine Kombination von zwei Schraubenfedern 500 sein (Fig. 7 und 8). Es ist ein Plattenteil 200 gezeigt, auf dem je ein Endabschnitt der. beiden Schraubenfedern befestigt ist. Der Plattenteil 200 dLent auch

20881 6/0987

21A9909

als Angriffsteil 500 b, der an einem Anschlag 500a angreift, der von jedem der anderen Endabschnitte der beiden Schraubenfedern absteht.

20981 6/0987

Claims

Patentansprüche

Feuereinrichtung für Bürstenhalter von elektrischen Drehankermaschinen, die eine Spiralfeder aufweist, deren inneres Ende durch einen Axialteil des Bürstenhalters festgelegt ist, gekennzeichnt durch eine zweite Federeinrichtung (50, 500) deren eines Ende an dem äußeren Ende der Spiralfeder (10, 100) so befestigt ist, daß eine horizontale Komponente der Druckkraft der Spiralfeder auf eine Bürste (40, 400) im wesentlichen durch eine horizontale Komponente der Druckkraft der zweiten Feder einrichtung (50, 500) auf die Bürste in sämtlichen Stellungen derselben aufgehoben wird, und an deren anderem Ende ein Plattenteil (20, 200) befestigt ist, durch den die Druckkraft der Spiralfeder (10, 100) und der zweiten Federeinrichtung (50, 500) auf die Bürste (40, 400) ausgeübt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das .eine Ende der zweiten Federeinrichtung (50, 500) an dem äußeren Ende der Spiralfeder (10, 100) so befestigt ist, daß der Auslenkungswinkel der zweiten Federeinrichtung (50, 500) dem Auslenkungswinkel der Spiralfeder (10, 100) entgegengesetzt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federeinrichtung eine V-förmige Blattfeder (50) ist, deren eines Ende an dem äußeren Ende der Spiralfeder (10) so befestigt ist, daß der Auslenkungswinkel der V-förmigen Blattfeder (50) dem Auslenkungswinkel der Spiralfeder (10) entgegengesetzt ist, und an deren anderem Ende ein Plattenteil' (20) befestigt ist, durch den die Druckkraft der Spiralfeder (10) und der V-förmigen Blattfeder (50) auf die Bürste (40) ausgeübt wird.
4. Federeinrichtung für Bürstenhalter von elektrischen Drehankermaschinen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federeinrichtung eine aus zwei Schraubenfedern (500) kombinierte Feder ist, wobei ein Ende jeder der Schraubenfedern (500) an dem äußeren Ende der Spiralfeder (100) so befestigt ist, daß ein Auslenkungswinkel der kombinierten Feder

209816/0987

2U99Q.9

einem Auslenkungswinkel der Spiralfeder entgegenwirkt,
und an dem anderen Ende jeder der Schraubenfedern (500)
ein- Plattenteil (200) befestigt ist, durch den die Druckkraft der Spiralfeder und der kombinierten Feder auf die Bürste (400) ausgeübt wird.

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anschlageinrichtung (50b, 500b) einstückig an ihrem einen Endabschnitt ist, und daß ein Eingriffsteil (5Q&j 500a) einstückig mit der zweiten Eedereinrichtung (50, 500) an ihrem anderen Endabschnitt ist, um an der Anschlageinrichtung (50ΐ>* 500b) anzugreifen.

20981 π/0987