JP2002325397A - 回転電機の集電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大容量の回転電機の集電装置においては、多数
個のブラシが並列に設置されるが、摺動状態のばらつき
により特定ブラシに電流集中が生じ，過熱や火花等の摺
動異常を生じる場合があり、これを防止あるいは検出す
る必要がある。 【解決手段】ブラシ２を集電子１へ押圧する押圧ばね４
を電流通路として電流を流す。押圧ばね４に流れる電流
は、ばね自体を収縮させる力を生じるため、電流が大き
くなると押圧が弱められ、ブラシ電流の不平衡が防止で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機の集電装置
に係り、特にブラシの不平衡電流や摺動異常の防止ある
いは検出を可能とした回転電機の集電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に直流機、同期機等の回転電機にお
いては、回転子に巻装している電機子巻線、界磁巻線か
ら電力を取り出したりあるいは励磁電流を供給するため
に、回転子側に整流子またはスリップリング等の集電子
を設け、一方固定子側にブラシ保持器を設けて集電装置
を構成している。

【０００３】図１２は従来の回転電機の集電装置を示す
構成図である。１は整流子またはスリップリング等の集
電子であり、この集電子１から電力を取り出したりある
いは励磁電流を供給するために、ブラシ保持器３内に保
持したブラシ２を集電子１に摺動接触させるようにして
いる。一般に、ブラシ２としてはカーボンブラシや金属
黒鉛ブラシ等が採用される。

【０００４】前記ブラシ保持器３は前述のとおり回転電
機の固定子側に固定されており、前記ブラシ２の頭部を
所定の圧力で押圧する押圧ばね４を備えている。給電あ
るいは取り出される電流の導線としては、ブラシ２の頭
部に接続されたピグテール線５が用いられる。大容量の
回転電機においては、集電装置の給電あるいは取り出し
電力が大きいため、一般に多数個のブラシを並列に装着
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、多数個のブ
ラシを並列に装着する集電装置において、摺動状態のば
らつきにより、各ブラシに流れる電流に不平衡を生じ易
く、ある特定のブラシに電流集中が生じる場合がある。

【０００６】このように、特定ブラシに過大電流が流れ
ると、集電子とブラシとの摺動接触部の抵抗損が増加
し、摺動面付近の温度が異常に上昇し、潤滑作用が失わ
れてブラシ摩耗量の増大あるいはチャタリングや火花を
誘発し、集電子やブラシの荒損を招く惧れがある。

【０００７】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たものであり、ブラシの不平衡電流や摺動異常の防止あ
るいは検出することを可能とした回転電機の集電装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、回転子に設けた集電子に
適宜な押圧力でブラシを通電接触させる押圧ばねおよび
前記ブラシに流れる電流を入出力する電流通路を有する
ブラシ保持器を備えた回転電機の集電装置において、前
記押圧ばねをつる巻き状に形成するとともに、前記電流
通路として兼用することを特徴とするものである。

【０００９】この発明によれば、つる巻ばねに通電中電
磁力による収縮力が働くので、過大電流の流れるブラシ
に対する押圧力を弱めて、複数のブラシに流れる電流の
均一化を図り、不平衡を防止できる。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、回転子に設
けた集電子に適宜な押圧力でブラシを通電接触させる押
圧ばねおよび前記ブラシに流れる電流を入出力する電流
通路を有するブラシ保持器を備えた回転電機の集電装置
において、前記押圧ばねあるいはピグテール線などの電
流通路に対して電磁的に結合する検出コイルを備えるこ
とを特徴とするものである。この発明によれば、検出コ
イルによって、摺動異常の発生を検出することができ
る。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、前記検出コ
イルの出力を処理し、異常の発生したブラシを特定する
装置を備えることを特徴とするものである。この発明に
よれば、検出コイルによって、摺動異常の発生したブラ
シを特定することができる。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、回転子に設
けた集電子に適宜な押圧力でブラシを通電接触させる押
圧ばねおよび前記ブラシに流れる電流を入出力する電流
通路を有するブラシ保持器を備えた回転電機の集電装置
において、前記ブラシを撮影する熱感知カメラと、この
熱感知カメラの出力信号を処理して各ブラシの温度を計
測する処理装置とを設けたことを特徴とするものであ
る。この発明によれば、各ブラシの温度を直接測温素子
を当てることなく、測定が可能であり、測定結果を遠隔
地で認識することができる。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、計測された
各ブラシの温度を比較して異常ブラシを特定する装置を
備えることを特徴とするものである。この発明によれ
ば、各ブラシの温度を直接測温素子を当てることなく、
測定が可能であり、測定結果を遠隔地で認識することが
できるだけでなく、複数のブラシ温度を相互に設定値と
比較し、相対的に温度が異常なブラシを異常ブラシとし
て特定することができる。

【００１４】更に、請求項６記載の発明は、回転子に設
けた集電子に適宜な押圧力でブラシを通電接触させる押
圧ばねおよび前記ブラシに流れる電流を入出力する電流
通路を有するブラシ保持器を備えた回転電機の集電装置
において、前記ブラシを撮影する紫外線感知カメラと、
この紫外線感知カメラの出力信号を処理してブラシ摺動
面での火花発生を検出する処理手段を設けたことを特徴
とするものである。この発明によれば、紫外線感知カメ
ラにより火花を検出して、ブラシの摺動異常を検出する
ことができる。

【００１５】更に、請求項７記載の発明は、回転子に設
けた集電子に適宜な押圧力でブラシを通電接触させる押
圧ばねおよび前記ブラシに流れる電流を入出力する電流
通路を有するブラシ保持器を備えた回転電機の集電装置
において、前記集電子の近傍に設けた集音装置と、この
集音装置の出力を処理して摺動異常の発生を検出する装
置を備えることを特徴とするものである。この発明によ
れば、集電子の近傍に設けた集音装置によって摺動音を
集音することにより、摺動部の異常を検出することがで
きる。

【００１６】更にまた、請求項８記載の発明は、前記ブ
ラシ保持器を移動自在に支えるホルダと、このホルダに
固定されたシリンダと、一端が前記ブラシ保持器に固定
され他端がこのシリンダ内のピストンによって駆動され
る駆動アームとを備え、通常時前記シリンダに所定の圧
力を印加させて、前記ピストン、駆動アームおよび前記
ブラシ保持器を介して前記ブラシを前記集電子に通電接
触するようにした回転電機の集電装置において、前記ブ
ラシ保持器に保持されたブラシが異常であると判定され
た場合、前記シリンダ内のピストンを駆動させることに
より、前記駆動アームによって前記ブラシ保持器を集電
子から引き揚げることを特徴とするものである。この発
明によれば、異常と判定されたブラシをブラシ保持器毎
引き揚げることができ、摺動部の異常進展を阻止するこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明に係る回転電機の集電
装置の各実施の形態について、図面を参照して説明す
る。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
を示す構成図である。図１において、１は整流子または
スリップリング等の集電子であり、その外周面である摺
動面（または集電面ともいう）に対してブラシ保持器３
を対向配置し、このブラシ保持器３の保持箱３ａ内にブ
ラシ２を移動自在に収めている。

【００１８】このブラシ２は前記ブラシ保持器３に固定
された押圧ばね４によって摺動面１ａに押圧され、集電
子１に対して適度な押圧力によって摺動接触するように
なっている。しかも、前記ブラシ２は摺動面と反対側の
面（ブラシ頭部）に端子２ａを設けており、この端子２
ａを電流通路を兼ねるつる巻状（コイル状）の押圧ばね
４の一端に電気的に接続し、この押圧ばね４の他端を電
流の入出力導線であるピグテール線５に電気的に接続し
ている。

【００１９】前記集電子１に供給または集電子１より取
り出される電流は、前記押圧ばね４のつる巻状の電流通
路を経由して流れるため、押圧ばね４には流れる電流と
それによって発生する磁束との関係から、常に押圧ばね
４を収縮する方向に電磁力が作用するように構成されて
いる。

【００２０】この結果、ブラシ２は押圧ばね４本来の復
元力から電磁力による収縮力を差し引いた力で集電面に
押圧される。集電面への押圧力が弱くなると、ブラシ２
と集電子１との接触抵抗が増加することから、ブラシに
流れる電流は抑制される。

【００２１】なお、３ｂは押圧ばね４を止めるための止
め金具であり、また３ｃは前記ブラシ２を集電面へ押圧
するための押し棒である。本実施形態は、以上述べたよ
うにつる巻状の押圧ばね４に電流を流すことによって、
押圧ばね４自体に押圧力を弱める圧縮力を生じさせるよ
うに構成したので、複数並列配置したどのブラシ保持器
でも、ブラシ押圧力を弱めようとする力が常に作用す
る。しかも、この押圧力を弱めようとする収縮力は、大
きな電流が流れるブラシ保持器ほど大きくなり、集電面
への押圧力が弱くなるので、その分ブラシに流れる電流
が抑制される。

【００２２】この結果、複数のブラシ保持器を並列配置
した場合、各ブラシに流れる電流を均一化するようにブ
ラシ保持器自体が自己制御機能を果たすことになり、各
ブラシ間の電流の不平衡を防止することができる。

【００２３】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態を示す構成図であり、前掲した図１に記載
の構成要素と同一部分には同一符号をつけて説明を省略
する。本実施の形態は、図２で示すように、電流通路を
兼ねた押圧ばね４に電磁結合する検出コイル６を設け、
この検出コイル６の出力を回転電機の近傍に設置した配
電箱あるいは多少離れた場所に設けられた制御盤に収納
した処理装置８に入力し、監視するように構成したもの
である。

【００２４】図３は各検出コイル６と処理装置８との接
続関係を模式的に表した図であり、複数のブラシ２に対
応してそれぞれ設置した検出コイル６の出力は、処理装
置８に入力される。この処理装置８は、入力された各検
出コイル６の出力を処理して、検出コイルに異常を示す
電圧出力のあったブラシを特定し、その特定された異常
ブラシを示す信号を出力する。

【００２５】本実施の形態によれば、押圧ばね４を流れ
る電流と検出コイル６は電磁的に結合しており、ブラシ
２に摺動異常が発生して電流通路である押圧ばね４に異
常電流が流れると、前記検出コイル６にはこの異常電流
に基づく電圧が発生するので、この電圧を処理装置８で
監視することにより、集電装置の異常発生を遠隔におい
て、認識し、その後適宜な処置を施すことができる。

【００２６】なお、前掲した図２では電流通路を兼ねる
押圧ばね４と検出コイル６の配置関係を同心状とした
が、電流通路および検出コイル６の両者が電磁的に結合
する位置関係にあれば同心状である必要は無く、以下説
明する第３の実施の形態あるいは第４の実施の形態のよ
うに、変形例はいろいろ考えられる。

【００２７】（第３の実施の形態）図４は本発明の第３
の実施の形態を示す構成図である。前掲した図２と同一
部品には同一符号を付してその説明を省略する。本実施
形態は図４で示すように、磁性体よりなる鉄心７に対し
て前記押圧ばね４および前記検出コイル６を巻回したも
のである。

【００２８】本実施の形態によれば、前述の第２の実施
の形態に比して、磁気回路の透磁率が高まり、押圧ばね
４に流れる電流と検出コイル６との磁気的結合が密にな
るので、小さな異常電流でも比較的大きな電圧が検出コ
イル６に発生し、異常発生の検出が容易になる。なお、
図４では押圧ばね４と検出コイル６と鉄心７とを同心状
に配置しているが、鉄心の構造を例えば図５のようにす
れば、押圧ばね４と検出コイル６の位置関係を自由に配
置することが可能である。

【００２９】（第４の実施の形態）図６は本発明の第４
の実施の形態の一例を示す構成図である。本実施形態
は、図６に示すように押圧ばね４を電流通路とせずに、
ブラシ２頭部に接続されたピグテール線５を電流通路と
し、しかも前記ピグテール線５に前記検出コイル６を電
磁結合するように構成したものである。なお、前記検出
コイル６は押圧ばね抑え金具３ｂ上に固定する。

【００３０】本実施の形態においては、ピグテール線５
を流れる電流と検出コイル６は電磁的に結合しているの
で、ブラシ２に摺動異常が発生した場合、ピグテール線
５に異常電流が流れ、このとき異常電流に基づいて検出
コイル６に電圧が発生し、集電子分の異常発生を検出す
ることが可能となる。なお、図６では検出コイル６をピ
グテール線５と交差するように設けているが、図７の例
で示すように、ブラシ２自体に前記検出コイル６を直接
電磁結合させるように構成しても良い。

【００３１】（第５の実施の形態）図８は本発明の第５
の実施の形態を示す構成図である。本実施形態は図８で
示すように、ブラシ２の温度を熱感知カメラ９で撮影し
て画像信号を得、この画像信号を画像処理装置１０で処
理することにより、ブラシ２の温度を算出し、この算出
結果を温度信号として出力し、更にこの温度信号を比較
器１１に入力とすることにより、各ブラシ温度を相互に
設定値と比較し、温度が相対的に異常であるブラシを異
常ブラシとして特定し、そのブラシに予め付与されてい
る番号等を図示しない表示盤等で表示するように構成し
たものである。運転員あるいは保守員はこの表示盤によ
って、異常ブラシを確認することができる。

【００３２】なお、前記熱感知カメラ９は設置位置ある
いはアングル等を変更して、撮影範囲を切替えることに
より、１つで複数のブラシ２を撮影することができるよ
うになっている。本実施の形態によれば、各ブラシの温
度を直接測温素子を当てることなく測定可能であり、か
つ測定された温度を遠隔においても認識することができ
る。

【００３３】（第６の実施の形態）図９は本発明の第６
の実施の形態を示す構成図である。前掲した図８と同一
部品には同一符号を付してその説明を省略する。本実施
形態では、図９で示すように、摺動面１ａを紫外線感知
カメラ１２によって撮影して画像信号を画像処理装置１
０に取込み、画像処理するようにしたものである。

【００３４】なお、前記紫外線感知カメラ１２は設置位
置あるいはアングル等を変更して、撮影範囲を切替える
ことにより、１つで複数のブラシ２と摺動面１ａの様子
を検出することができるようになっている。

【００３５】本実施の形態は、紫外線感知カメラ１２に
よってブラシ摺動面１ａを撮影し、この画像信号を画像
処理装置１０で画像処理することにより、ブラシ摺動面
１ａに火花が発生した場合に生じる紫外線を検出し、火
花発生を示す信号を出力するようにしたものである。本
実施の形態によれば、ブラシの摺動異常による火花の発
生を遠隔においても認識することができる。

【００３６】（第７の実施の形態）図１０は本発明の第
７の実施の形態を示す構成図である。本実施形態は、図
１０で示すように、ブラシ摺動面１ａの近傍にマイク等
の集音装置１３を設け、この集音装置１３の出力を周波
数処理装置１４に入力し、この入力信号を周波数処理す
るようにしたもので、摺動異常が発生した場合の異常音
を正常時との比較により検出し、摺動異常発生を示す信
号を出力することができる。本実施の形態によれば、ブ
ラシ摺動音を遠隔の地においても認識することができ
る。

【００３７】（第８の実施の形態）図１１は、本発明の
第８の実施の形態を示す構成図である。なお、前述した
実施の形態と同一部品には同一符号を付してその説明を
省略する。本実施形態は、ブラシ摺動異常発生時にブラ
シ保持器３を集電子１の摺動面１ａから引き揚げること
が可能なように構成したものであり、ブラシ保持器３を
ホルダ１８に対して相対的に上下動可能に設置すると共
に、前記ホルダ１８にはシリンダ１７を固定し、更にこ
のシリンダ１７に対する空気あるいは油の供給口を図示
しないバルブにより切替えることにより、ピストン１６
に固定された駆動アーム１５によりブラシ保持器３全体
を引き揚げることができる構成にしてある。

【００３８】通常時は、駆動アーム１５はシリンダ１７
に供給される空気あるいは油によって図示の伸び出た状
態に維持されるので、ブラシ保持器３に保持されたブラ
シ２は押圧ばね４によって集電子１に押圧され、摺動接
触している。

【００３９】ところが、ブラシ摺動異常発生時に空気ま
たは油をピストン１６の図示下部からシリンダ１７内に
供給すると、ピストン１６が図示上方に移動するので、
駆動アーム１５によって、ブラシ保持器３はシリンダ装
置１７側へ引き揚げられ、ブラシ２を集電子１から引き
離すようになる。前記シリンダ１７に供給する空気ある
いは油は、前述した前記処理装置８または比較器１１の
出力に基づいて制御される。

【００４０】本実施の形態によれば、ブラシ摺動異常発
生時に、ブラシ２の摺動異常を示す信号に基づいてピス
トン移動させることにより、異常ブラシを自動的に集電
子から引き揚げることが可能となり、異常進展を阻止す
ることが可能となる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ブラシの不平衡電流発生時ブラシへの押圧力を制御する
とか、あるいは摺動異常時にこれを検出することが可能
な回転電機の集電装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転電機の集電装置の第１の実施
の形態を示す構成図。

【図２】本発明による回転電機の集電装置の第２の実施
の形態を示す構成図。

【図３】第２の実施形態における検出コイルと処理装置
との接続関係を示す模式図。

【図４】本発明による回転電機の集電装置の第３の実施
の形態を示す構成図。

【図５】第３の実施形態における鉄心の配置例を示す構
成図。

【図６】本発明による回転電機の集電装置の第４の実施
の形態の一例を示す構成図。

【図７】本発明による回転電機の集電装置の第４の実施
の形態の他の例を示す構成図。

【図８】本発明による回転電機の集電装置の第５の実施
の形態を示す構成図。

【図９】本発明による回転電機の集電装置の第６の実施
の形態を示す構成図。

【図１０】本発明による回転電機の集電装置の第７の実
施の形態を示す構成図。

【図１１】本発明による回転電機の集電装置の第８の実
施の形態を示す構成図。

【図１２】従来の回転電機の集電装置の構成図。

【符号の説明】

１…集電子、１ａ…摺動面（集電面）、２…ブラシ、３
…ブラシ保持器、３ａ…ブラシ収納箱、３ｂ…押圧ばね
抑え金具、３ｃ…押圧棒、４…押圧ばね、５…ピグテー
ル線、６…検出コイル、７…鉄心、８…処理装置、９…
熱感知カメラ、１０…画像処理装置、１１…比較器、１
２…紫外線感知カメラ、１３…集音装置、１４…周波数
処理装置、１５…駆動アーム、１６…ピストン、１７…
シリンダ、１８…ホルダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岸部 高士 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 藤田 真史 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H611 AA01 AA03 PP01 QQ03 QQ04 QQ05 QQ09 RR04 UA04 5H613 AA03 AA04 AA08 BB05 BB15 BB27 BB31 GA11 GA15 GA16 GA17 GB01 GB08 GB09 GB13 PP03 QQ05 QQ06 QQ07 RR02 RR04 RR05 SS05 SS07 SS11 SS14 TT06 TT09

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子に設けた集電子に適宜な押圧力で
   ブラシを通電接触させる押圧ばねおよび前記ブラシに流
   れる電流を入出力する電流通路を有するブラシ保持器を
   備えた回転電機の集電装置において、 前記押圧ばねをつる巻き状に形成するとともに、前記電
   流通路として兼用することを特徴とする回転電機の集電
   装置。
2. 【請求項２】 回転子に設けた集電子に適宜な押圧力で
   ブラシを通電接触させる押圧ばねおよび前記ブラシに流
   れる電流を入出力する電流通路を有するブラシ保持器を
   備えた回転電機の集電装置において、 前記電流通路に対して、検出コイルを電磁的に結合した
   ことを特徴とする回転電機の集電装置。
3. 【請求項３】 前記検出コイルの出力を処理し、異常の
   発生したブラシを特定する装置を備えることを特徴とす
   る請求項２記載の回転電機の集電装置。
4. 【請求項４】 回転子に設けた集電子に適宜な押圧力で
   ブラシを通電接触させる押圧ばねおよび前記ブラシに流
   れる電流を入出力する電流通路を有するブラシ保持器を
   備えた回転電機の集電装置において、 前記ブラシを撮影する熱感知カメラと、この熱感知カメ
   ラの出力信号を処理して各ブラシの温度を計測する処理
   装置とを設けたことを特徴とする回転電機の集電装置。
5. 【請求項５】 前記熱感知カメラによって計測された各
   ブラシの温度を比較して異常ブラシを特定する装置を備
   えることを特徴とする請求項４記載の回転電機の集電装
   置。
6. 【請求項６】 回転子に設けた集電子に適宜な押圧力で
   ブラシを通電接触させる押圧ばねおよび前記ブラシに流
   れる電流を入出力する電流通路を有するブラシ保持器を
   備えた回転電機の集電装置において、 前記ブラシを撮影する紫外線感知カメラと、この紫外線
   感知カメラの出力信号を処理してブラシ摺動面での火花
   発生を検出する処理手段を設けたことを特徴とする回転
   電機の集電装置。
7. 【請求項７】 回転子に設けた集電子に適宜な押圧力で
   ブラシを通電接触させる押圧ばねおよび前記ブラシに流
   れる電流を入出力する電流通路を有するブラシ保持器を
   備えた回転電機の集電装置において、 前記集電子の近傍に設けた集音装置と、この集音装置の
   出力を処理して摺動異常の発生を検出する装置を備える
   ことを特徴とする回転電機の集電装置。
8. 【請求項８】 前記ブラシ保持器を移動自在に支えるホ
   ルダと、このホルダに固定されたシリンダと、一端が前
   記ブラシ保持器に固定され他端がこのシリンダ内のピス
   トンによって駆動される駆動アームとを備え、通常時前
   記シリンダに所定の圧力を印加させて、前記ピストン、
   駆動アームおよび前記ブラシ保持器を介して前記ブラシ
   を前記集電子に通電接触するようにした回転電機の集電
   装置において、 前記ブラシ保持器に保持されたブラシが異常であると判
   定された場合、前記シリンダ内のピストンを駆動させる
   ことにより、前記駆動アームによって前記ブラシ保持器
   を集電子から引き揚げることを特徴とする請求項３また
   は５記載の回転電機の集電装置。