JP2010539881A - 転流装置および電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転可能な整流子（２）と、該整流子と接触する少なくとも１つの摺動素子（１６，１７，１８，１９）とを備える転流装置（１）に関する。本発明によれば、転流の際に発生する摩耗粉塵（２０）を排出するための手段（２１）が設けられている。さらに本発明は、この種の転流装置（１）を備える電気機械に関する。

Description

本発明は請求項１の上位概念による転流装置、ならびに請求項１６による電気機械、とりわけ電動機または発電機に関する。

電子技術で転流装置とは、電気機械での電流転換装置を意味する。電流転換は、電機子巻線に対して回転した電流または転換された電流を形成する。公知の転流装置は、電機子軸に回動不能に配置された整流子を有し、この整流子は周方向に並んで配列され、電気的に相互に絶縁された複数の整流子片を備える。これらの整流子片は少なくとも２つの摺動素子により電気的に接触される。位置固定された摺動素子と回転駆動される整流子とが常に摩擦することによって、摩耗粉塵、通常は炭素粉塵が発生する。この炭素粉塵は整流子の回転方向で見て摺動素子の前方に堆積する。このことは早期転流を引き起こし、ひいてはこの種の転流装置が装備された電気機械の運転時間の縮小につながる。さらに発生する摩耗粉塵が、周方向で隣接する２つの整流子片の間の空隙または絶縁隙に堆積と、このことは短絡につながり得る。

本発明の基礎とする課題は、摩耗粉塵の堆積による早期転流が回避された転流装置を提案することである。さらに本発明の課題は、相応に改善された電気機械を提案することである。

この課題は転流装置に関しては請求項１の特徴部分により、電気機械に関しては請求項１６の特徴部分により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。明細書、請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴を組み合わせることも本発明の枠内である。

本発明の基本的技術思想は、転流の際に発生する摩耗粉塵、とりわけ炭素粉塵が整流子に堆積するのを、この摩耗粉塵を排出するための手段を設けることによって阻止することである。この手段は有利には、摩耗粉塵が半径方向で外側に排出搬送されるよう構成されている。摩耗粉塵を排出することにより、整流子および／または摺動接点へ堆積と、これに結び付いた早期転流が回避される。このことはさらに本発明のコンセプトにしたがい構成された転流装置を装備する電気機械の寿命の延長にもつながる。さらに摩耗粉塵が、周方向に順次配列された整流子片の間の絶縁隙に堆積することと、これによる短絡を回避することができる。

とくに有利な実施形態では、転流の際に発生する摩耗粉塵を排出するための手段が整流子に当接する少なくとも１つのバネを有し、このバネは短絡を回避するために有利には非導電性の材料から形成される。バネが整流子に当接することによって、摩耗粉塵が少なくとも１つの摺動素子の前方で整流子に堆積することが上手く阻止される。さらにとりわけ板バネとして構成されたバネは、摩耗粉塵を外に排出するための偏向板の形態で使用される。後でさらに説明するように、整流子に当接しない手段による実施形態も実現可能である。

有利にはバネは、これがその固定個所から出発してその自由端部の方向には整流子の周方向で伸長し、整流子の方向に湾曲するか、または半径方向で内側に傾斜するように構成され、配置されている。これにより整流子に、とりわけ半径方向でバネ力を印加することができる。これによりバネは整流子の回転運動中に整流子の外周囲に当接し、これにより摩耗粉塵がバネの下に潜り込むことが常に回避される。摩耗粉塵を半径方向で外側に排出する少なくとも１つのバネを設けることによって、摩耗粉塵を排出するための手段を、利用可能な構造空間に組み込むことができる。これにより本発明のコンセプトにより構成された転流装置の装備された電気機械が、摩耗粉塵を排出するための手段を備えないものより大きな構造となることがない。ここでは板バネとして構成されたバネの、整流子とは反対側の端部が、転流装置の構成部材、とりわけ摺動素子ホルダに（および有利には摺動素子用の筒の外側で）固定され、バネの自由端部または自由端部の領域が整流子に当接すると有利である。

とりわけバネである手段が、非導電性プラスチックから形成されている実施形態がとくに好ましい。

摩耗粉塵を整流子の長手方向の全長にわたって堆積するのを上手く阻止するためには、とりわけバネである手段の幅が整流子の軸方向長さ、または整流子の周方向に順次配置された整流子片の軸方向長さに少なくとも近似的に相当する実施形態が有利である。好ましくはバネである手段が整流子を片側または両側で軸方向に突き出ている実施形態も可能である。

とりわけ少なくとも１つのバネである手段の自由端部の領域で静粛な始動を保証するために、好ましくはバネである手段が、整流子に当接するその自由端部の領域に、湾曲した経過または傾斜した経過を有する実施形態が有利である。静粛な始動の他に、整流子から離れるよう自由端部を傾斜させることにより、または湾曲させることにより、半径方向での摩耗粉塵に対する排出可能性が保証される。後でさらに説明するように、手段が整流子に対して（小さな）半径方向間隔で配置されている実施形態も実現可能である。

本発明の有利な改善形態では、転流装置が、それぞれ１つのグラファイト含有の摺動素子を収容するための複数の筒を備える摺動素子ホルダを有する。摩耗粉塵が整流子の回転方向で見て各摺動素子の前方に堆積するのを阻止するために、少なくとも１つの摺動素子に、有利には各摺動素子に摩耗粉塵を排出するための手段、有利には整流子に当接するバネが配属された実施形態が有利である。ここでそれぞれの手段、とりわけそれぞれのバネは有利には整流子の回転方向で見て、所属の摺動素子ないし手動素子を含む筒の前方に配置されている。ここでバネである手段は有利には、これがそれぞれの筒から発して、有利にはその固定個所から発して周方向に、整流子の回転方向とは反対に伸長している。

とくに有利な実施形態では、有利にはバネである手段が、整流子とは反対側で端部により摺動素子ホルダに固定されている。改善形態の枠内で、とりわけバネである手段は摺動素子ホルダとワンピースに構成されているか、またはバネのための固定手段が摺動素子ホルダに設けられており、この固定手段はバネの交換を可能にする。これによりとりわけバネである手段が摩耗した場合には交換することができる。

摺動素子ホルダが、とりわけバネである手段を脱着可能に固定できるよう構成されている場合には、バネである各手段が２つの異なる方向位置で摺動素子ホルダに固定可能である実施形態が有利である。すなわちバネの回転方向に依存する固定手段が摺動素子ホルダに得られると有利である。有利な実施形態によれば、バネである手段が摺動素子ホルダに締め付けによって固定可能である。

とくに有利な実施形態では、転流の際に発生する摩耗粉塵をとりわけ半径方向に排出するための手段が、摺動子ホルダの所属する筒と同じ材料から構成されており、この摺動子ホルダ内で摺動接点、とりわけ炭素ブラシが整流子に対して半径方向に調整可能である。有利にはこの手段はプラスチック製であり、有利には短絡を回避するために非導電性のプラスチックからなる。

冒頭に述べたように、摩耗粉塵を排出するための手段が摺動接点ホルダと一体的に、および／または所属の筒と一体的に、とりわけそれぞれワンピースの突起の形態に構成されている実施形態が実現可能である。ここで効率的で安価な製造の観点では、この手段が所属の筒とともに、共通の射出成形部材として製造されると有利である。筒全体が所属の手段とともに、共通の射出成形部材として構成されているととくに有利である。

本発明の改善形態では、この手段の外側輪郭が、回転可能に配置された整流子の外側輪郭に適合するよう構成されている。有利にはこの手段は、整流子に向いた側で整流子の周伸長方向に湾曲して構成されている。

転流装置の動作中に発生する摩耗粉塵を、半径方向で外側に理想的に排出することができるようにするため、有利な実施形態ではこの手段の自由端部の領域がランプ状に成形されている。この形成されたランプは有利には、それぞれ隣接する筒、または配属された筒の方向に上昇している。これにより粉塵粒子は、整流子の外にあり、半径方向に伸長する筒外壁の方向に投げ飛ばされる、または導かれる。

冒頭に述べたように、少なくとも１つのバネである手段が、整流子の回転の際に整流子に当接する実施形態が実現可能である。とりわけこの手段がバネとして構成されていない実施形態、すなわちこの手段が弾性ではなく剛性に構成されている実施形態では、この手段と整流子との間に周方向に伸長するスリットが形成されている実施形態が有利である。ここでは、周方向におけるこのスリットの幅伸長が少なくとも近似的に一定であり、かつ最小である実施形態が実現可能である。しかし、有利にはランプ状に形成された手段の自由端部に向かって、整流子の回転方向とは反対の周方向にスリット幅が減少する実施形態も実現可能である。

したがって摩耗粉塵を排出するために少なくとも１つのバネを含む手段を備える実施形態だけが実現可能なのではなく、とりわけコストの理由と、取付けを簡単にするために、それ自体剛性の手段を備える実施形態も実現可能である。この剛性の手段は転流装置の少なくとも１つの別の構成部材と有利はワンピースに構成されており、これによりこの手段を別個に取り付けることが回避される。

本発明により、前に説明した転流装置を備える電気機械、とりわけ電気モータまたは発電機が得られる。ここで転流装置の整流子は電機子軸に回動不能に配置されている。本発明のコンセプトにより形成された転流装置を設けることによって、早期転流が回避され、したがって電気機械の寿命が従来公知の電気機械よりも延長される。

図面中、同じ構成部材および機能を備える構成部材には同じ参照符合が付してある。

各摺動素子に摩耗粉塵を排出するための手段が配属された転流装置の一部を示す。 図１の転流装置の摺動素子ホルダを示す。 摺動素子のための筒と一体的に構成された、摩耗粉塵を排出するための手段を備える摺動子ホルダの択一的構成を示す。

図面中、同じ構成部材および機能を備える構成部材には同じ参照符合が付してある。

図１には、電気機械用の転流装置１が示されている。この転流装置１は、図平面に対して垂直に起立する図示しない電機子軸に固定配置するための整流子２を有する。整流子２は図示の実施例では、周方向に並置された銅製の４つの薄片３，４，５，６を有する。薄片３，４，５，６は、電機子パケットの図示しない電機子巻線と導電接続されている。隣接するそれぞれ２つの薄片の間には、軸方向に延在する空隙７，８，９，１０がある。この空隙は薄片３，４，５，６を相互に電気絶縁する。

整流子２は摺動素子ホルダ１１内に配置されている。この摺動素子ホルダはこの実施例では、それぞれ１つの摺動素子１６，１７，１８，１９（炭素ブラシ）に対して周方向に均等に離間した４つの筒１２，１３，１４，１５を有する。各摺動素子１６，１７，１８，１９は、図示しないバネによって半径方向で内側に整流子２の方向に弾性負荷されている。これにより整流子２の外周にある摺動素子１６，１７，１８，１９は薄片３，４，５，６に正確に当接し、整流子２の回転運動の際にこれらは電気接触する。

整流子２と摺動素子１６，１７，１８，１９は整流子２の外周との間の摩擦によって摩耗粉塵２０（炭素塵）が発生する。この摩耗粉塵２０を半径方向で外側に排出するために、摩耗粉塵排出手段２１が設けられている。この摩耗粉塵排出手段２１は、周方向に相互に離間し、それぞれプラスチック製の板バネとして構成された４つのバネ２２，２３，２４，２５を有する。これらのバネは摺動素子ホルダ１１に解離可能に固定されている。バネ２２，２３，２４，２５の軸方向の伸長、すなわち図平面への伸長は、薄片３，４，５，６の軸方向の伸長に実質的に相当する。バネ２２，２３，２４，２５は、矢印により示した整流子２の回転方向３６とは反対の方向で整流子２の周方向に伸長しており、整流子２とは反対側のそれぞれの端部２６，２７，２８，２９が摺動素子ホルダ１１に固定されている。バネ２２，２３，２４，２５は半径方向で内側に整流子２に向かって湾曲して成形されており、これにより半径方向でのバネ作用が達成される。バネ２２，２３，２４，２５のそれぞれの自由端部３０，３１，３２，３３は整流子２ないし薄片３，４，５，６の外周に当接し、回転運動の際に発生する摩耗粉塵２０を半径方向で外側に排出する。

図１から分かるように、バネ２２，２３，２４，２５はそれぞれの自由端部３０，３１，３２，３３の領域で軽く外側に湾曲しており、これにより静粛な始動が保証される。

図１から分かるように、各摺動素子１６，１７，１８，１９にはバネ２２，２３，２４，２５が配属されており、このバネは回転方向３６で見て、それぞれ摺動素子１６，１７，１８，１９の前方に配置されている。整流子２の回転方向３６が変化すべき場合に対しては、バネ２２，２３，２４，２５が図示のように時計方向で半径方向に内側に取り付けられるのではなく、反時計方向で半径方向に内側に伸長するようにして、半径方向で外側への摩耗粉塵２０の排出を保証する。

図２には摺動素子ホルダ１１が単独で示されている。図平面で後方を指す中空突起３４が図示されており、この中空突起は電気機械の接点を収容する。この中空突起の図平面で前方の領域には、摺動素子ホルダ１１がディスク状に成形されており、それぞれ９０°相互にずらされた筒１２，１３，１４，１５を、図示しない摺動素子に対して有している。筒１２，１３，１４，１５内ではそれぞれ摺動素子が、半径方向で内側に整流子２へ弾性負荷されている。

中央開口部３５には、取付け状態で整流子２が配置される。摺動素子ホルダ１１の図示の構成で、図示しない整流子は時計方向（矢印３６）に回転する。

各筒１２，１３，１４，１５には板バネとして構成されたバネ２２，２３，２４，２５が、前記開口部３５と反対側の端部２６，２７，２８，２９により解離可能に固定されている。バネ２２，２３，２４，２５は、それぞれの筒１２，１３，１４，１５から出発して反時計方向に伸長しており、内側に湾曲して形成されている。その自由端部３０，３１，３２，３３は半径方向で外側に、開口部３５から離れる方向に湾曲されており、これにより整流子２の静粛な始動が保証される。さらに整流子２の薄片３，４，５，６の間の空隙７，８，９，１０によってロックされることが阻止される。

外側に排出された摩耗粉塵２０は、重力のため整流子２の外側の領域で下方へ、図示しない電気機械のケーシングへ落下し、時折、必要に応じて除去することができる。

図３には摺動素子ホルダ１１の択一的構成が示されている。摺動素子ホルダ１１は周方向に均等に分散配置された筒１２，１３，１４，１５を、それぞれ図示しない摺動素子１６，１７，１８，１９に対して有する（図１と同じ）。図３に示した摺動素子ホルダ１１でも、分かりやすくするため図示しないが、中央開口部３５に配置すべき整流子と摺動素子との摩擦によって摩耗粉塵が発生する。この摩耗粉塵を半径方向で外側に排出するために、各筒１２，１３，１４，１５には、摩耗粉塵排出手段２１が配属されている。この手段２１は、それぞれ所属の筒１２，１３，１４，１５と一体的に成形された剛性の突起として構成されており、筒１２，１３，１４，１５も摺動素子ホルダ１１の基面３７と一体的に成型されている。図３に示した摺動素子ホルダ１１は、図示しない整流子とともに電気機械のための転流装置を形成する。図３から分かるように、図示しない整流子の回転方向３６は反時計回りである。手段２１は図３の実施例では、筒１２，１３，１４，１５の統合突起として構成されており、周方向で所属の筒１２，１３，１４，１５から回転方向３６とは反対に伸長している。手段２１はランプ状に構成されており、自由端部３８の方向に先細になっている。別の言い方をすれば、突起として構成された手段２１の半径方向の伸長は、反時計回りに大きくなる。

さらに図３から分かるように、突起として構成された手段２１の下方面または半径方向内側面３９は所属の半径方向内側の筒開口部４０，４１，４２，４３に対して半径方向内側にずらして配置されている。これにより摩耗粉塵に対して周方向に作用するバリアが形成され、摩耗粉塵が図３に図示しない炭素ブラシに（過剰に）衝突することが阻止される。

整流子に向いた側のこの手段２１の面３９は周方向に湾曲して構成されており、図示しない整流子に対して間隔をおいて配置されている。この面３９と整流子との間には最小の周囲スリットしか存在せず、この実施例では周方向に一定の０．５ｍｍの半径方向伸長部を備える。

Claims (16)

1. 回転可能な整流子（２）と、該整流子と接触する少なくとも１つの摺動素子（１６，１７，１８，１９）とを備える転流装置において、
   転流の際に発生する摩耗粉塵（２０）を排出するための手段が設けられている、ことを特徴とする転流装置。
2. 前記手段（２１）は、前記整流子（２）に当接する非導電性の少なくとも１つのバネ（２２，２３，２４，２５）を含む、ことを特徴とする請求項１記載の転流装置。
3. 前記バネ（２２，２３，２４，２５）は、前記整流子（２）の方向に曲げられた板バネおよび／または傾斜して配置された板バネとして構成されている、ことを特徴とする請求項２記載の転流装置。
4. 前記手段（２１）は、非導電性のプラスチックからなるバネ（２２，２３，２４，２５）である、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の転流装置。
5. 前記手段（２１）の幅は、前記整流子（２）の軸方向伸長に近似的に相当するか、または該整流子から軸方向に突き出ている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の転流装置。
6. 前記手段（２１）は、前記整流子（２）に当接する自由端部（３０，３１，３２，３３）の領域に湾曲した始動面または傾斜した始動面を有する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の転流装置。
7. それぞれ１つの摺動素子（１６，１７，１８，１９）を収容にするために複数の筒（１２，１３，１４，１５）を備える摺動素子ホルダ（１１）が設けられており、
   少なくとも１つの筒（１２，１３，１４，１５）、有利には各筒（１２，１３，１４，１５）には、摩耗粉塵（２０）を排出するための手段（２１）として、前記整流子（２）の回転方向（３６）で見て当該筒（１２，１３，１４，１５）の前方で該整流子に当接するバネ（２２，２３，２４，２５）が配属されている、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の転流装置。
8. 前記手段（２１）は、摺動素子ホルダ（１１）と一体的に構成されているか、または該摺動素子ホルダに固定または締め付けされている、ことを特徴とする請求項７記載の転流装置。
9. 前記手段（２１）は、前記整流子（２）の回転方向（３６）に依存して２つの異なる方向位置で前記摺動素子ホルダ（１１）に固定されている、ことを特徴とする請求項７または８記載の転流装置。
10. 前記手段（２１）は、前記摺動素子ホルダ（１１）の所属の筒（１２，１３，１４，１５）と同じ材料、有利にはプラスチックから形成されている、ことを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載の転流装置。
11. 前記手段（２１）は所属の筒（１２，１３，１４，１５）とともに、共通の射出成形部材として構成されている、ことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の転流装置。
12. 前記手段（２１）は、前記整流子（２）に向いた側（３９）で該整流子（２）の周伸長方向に湾曲している、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の転流装置。
13. 前記手段（２１）の自由端部はランプ状に成形されている、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の転流装置。
14. 前記手段（２１）と前記整流子（２）との間には、最小の周囲スリットが形成されている、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の転流装置。
15. 前記手段（２１）は剛性である、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の転流装置。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の転流装置（１）を備え、整流子（２）が電機子軸に回動不能に配置されている電気機械、とりわけ電気モータまたは発電機。

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