JP2011501648A - 電気機械のためのばねを有したブラシ装置 - Google Patents

Abstract

電気機械のためのブラシ装置（１）であって、ブラシホルダ（２）と、該ブラシホルダ内に取り付けられたブラシ（３）と、該ブラシに組み込まれたリッツ線（７）と、第１のばね（４）とを有しており、該第１のばね（４）がブラシ（３）を整流子（６）に向かって予負荷している形式のものに関する。より頻繁な始動の繰り返しとより長い稼動時間を有した電機機械において長い耐用寿命を得るために、少なくとも１つの第２のばね（５）が、ブラシ（３）を整流子（６）に向かって予負荷している前記第１のばね（４）に対して平行に配置されているようにした。

Description

本発明は、電気機械のためのブラシ装置であって、ブラシホルダと、該ブラシホルダ内に取り付けられたブラシと、該ブラシに組み込まれたリッツ線と、第１のばねとを有しており、該第１のばねがブラシを整流子に向かって予負荷している形式のものに関する。

電気機械（Ｅモータ）、直流機械並びに三相交流機械は、整流子に向かって予負荷されているブラシ対を有している。

内燃機関の始動のためには、主として機械的に転流された直流モータ（スタータ）が使用される。電流は、単数又は複数のブラシ対から整流子を介して電機子巻線に導入される。これらのブラシは主として、主に銅と黒鉛の部分を有した焼結材料から成っている。従ってブラシは、炭素ブラシとも言われる。このブラシと整流子とは運転中に摩耗される。この場合、直流モータは、典型的には短時間の運転のために設計されており、通常、３０，０００〜６０，０００切替サイクルのために適している。

スタータがより高い負荷かつより長い稼動時間のために設計されているならば、耐用寿命は短くなる。整流子に炭素ブラシを押し付けるために１つのコイルばねを使用することが公知である。スタータの半径方向の構成スペースには限度があるので、可能な摩耗長さに直接影響を及ぼす炭素ブラシの高さと、必要な押圧力に関して妥協が生じる。押圧力とばね定数Ｃとは、半径方向の条件により極めて大きく影響される。従って、最小のばね定数Ｃによる所定の特性の押圧力が生じることがある。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のブラシ装置を改善して、頻繁に繰り返される始動を行いかつ長い稼動時間を有する電気機械が、改善された耐用寿命を有しているようなブラシ装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば請求項１及び２に記載のブラシ装置により解決される。有利な別の構成は、従属請求項に記載されている。

本発明の思想は、第２のばねを、ブラシを整流子に向かって予負荷している第１のばねに対して平行に配置されるように設けることにある。これにより、ブラシの整流子においてできるだけ均一な押圧力が生じる。先行技術による、炭素ブラシにつき単に１つのばねが設けられていて主として真ん中で押圧を行うもので生じるような、高い押圧力のもとでの炭素ブラシの面圧に関する非対称性は、本発明によれば回避される。従って、炭素ブラシ押圧力が、炭素ブラシの軸方向の長さが大きいことによりもはや均一に回転面に作用しないこともない。さらに、複数のばねが平行にブラシに固定されていることより、真ん中に固定された先行技術のものとは異なり、均一な押圧力及び均一に分配された押圧力を有する炭素ブラシの軸方向の運動に関して安定的な状態が得られる。

押圧力は、炭素ブラシの摩耗長さの間、単に１つのコイルばねによって発生される押圧力よりも明らかに小さくされる。従って、電気機械の僅かな摩耗と長い運転時間とを有した高い切替数が得られる。

本発明によれば、単数又は複数のばねが、付加的にブラシにおいて互いに平行に組み付けられる。従って、総押圧力Ｆ（ｘ）は以下のようになる。
Ｆ_Ges（Ｘ）＝Ｆ_１（Ｘ）＋Ｆ_２（Ｘ）

別の主要な本発明の思想によれば、ブラシに組み込まれたリッツ線が半径方向で、第１のばねに対して平行に配置されている。リッツ線が半径方向で、ばねに対して前後に配置されているのではなく、平行に配置されていることにより、ブラシの摩耗長さは増大される。増大された摩耗長さにより、耐用寿命が長くなり、少なくともおなじ耐用寿命であるならば、より頻繁にＥ−モータの始動を繰り返すことが可能である。リッツ線は銅合金から製造されていて、ブラシ内に押し込まれる。

ブラシの可能な摩耗長さは通常、半径方向で、ブラシと整流子の接触面から、純粋な炭素ブラシの所定の終端部までの間隔である。所定の終端部とは、ブラシにおいてリッツ線の直径が始まる半径方向の高さである。

本発明の別の構成によれば、リッツ線は、第１のばねと少なくとも第２のばねとの間で平行に、ブラシの中間付加部に配置されている。このことは、ブラシの摩耗長さが最大であり、ブラシがブラシホルダに安定的に装着されるという利点を有している。

有利には、整流子から、少なくとも１つのリッツ線の中央までの半径方向の距離は、単数又は複数のばねのブラシへの載置面までの半径方向の距離よりも大きい。従って、摩耗長さは拡大されている。

できるだけ均一なシステムを得るために、有利には少なくとも２つの同じばねが使用され、それらのばね定数がほぼ同じ大きさである。従って、
Ｆ_Ges（Ｘ）＝Ｆ_１（Ｘ）＋Ｆ_１（Ｘ）＝２×Ｆ_１（Ｘ）となる。

２つの同じばねを使用することにより、同じばね定数Ｃ_Serieを有するしばしば標準仕様のばねの押圧力が２倍得られる。従って、スタータとして使用される電気機械の整流子へ炭素ブラシを押し付ける力が高いことにより、より高い切替数を直接的に得ることができる。従って、同じ総ばね定数のもとで以下のようになる。
Ｆ_Ges（Ｘ）＝Ｃ_Ges×Ｘ＝Ｆ_１（Ｘ）＋Ｆ_１（Ｘ）＝２×Ｆ_１（Ｘ）＝２×Ｃ_１×Ｘ

驚くべきことに実験により、できるだけ一定のばね定数Ｃが、機械的に転流される電気機械の耐用寿命を高めるために有利であることがわかった。

ばね定数Ｃが存在している構成スペースのためにできるだけ僅かであるならば、さらに有利である。本発明の有利な別の構成によれば、第１のばねのばね定数と第２のばねのばね定数とは、先行技術のもののように唯一のばね（標準仕様のばね）を有したブラシにおけるばねのばね定数よりも小さい。従って少なくとも２つのばねにより、ばね定数Ｃをさらに低くすることができ、このことは唯一のばねによっては製造条件的にもはや不可能である。平行に配置された少なくとも２つのばねにより、ばね定数Ｃの条件を満たすさらに強い押圧力が得られる。ばね定数Ｃ_１を有する同じ２つのばねを組み合わせることによる最適な条件は、従来のばねのばね定数Ｃ_Serieとの関係では次のようである。
２×Ｃ_１＜Ｃ_Serie

組み合わされた状態で、炭素ブラシの予負荷がかけられた状態で必要な総押圧力を奏する２つのばねの初期力を半分にすることにより、１つのばねと同じ初期条件を得ることができる。

本発明の別の構成によれば、第１のばねと第２のばねの寸法を、唯一のばねを有したブラシ装置の寸法よりも小さくすることができる。少なくとも２つのばねは、２×Ｃ_１＜C_Serieの条件を満たすために、直径を小さく、厚さを薄く、従って１つのばねの初期力を半分にすることができる。ブラシ装置における総ばね定数Ｃ_Gesを低下させることにより、ブラシ装置の耐用寿命期間全体にわたって安定的な特性が得られる。各個別のばねの最小のばね定数Ｃ_１は従って、唯一の標準仕様のばねを有したブラシ装置におけるばね定数よりも安価かつ簡単に得られる。

ブラシ装置は有利には、電気機械の総耐用寿命のために有利に設計されている。電気機械の耐用寿命の終了後に電気機械のメンテナンスを可能にするために、ブラシ装置は電気機械において交換可能であるように設計されている。

上記の及び以下に説明する特徴的構成は、それぞれ提示される組み合わせにおいてだけではなく他の組み合わせにおいても使用可能である。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

ブラシ装置を概略的に示した側方図である。 ブラシ装置を概略的に示した平面図である。 ばねに対して平行なリッツ線を有したブラシ装置を概略的に示した側方図である。 ブラシ装置の長さ・力グラフである。

図１には、例えば車両における内燃機関のためのスタータとして使用される、機械的に転流される直流モータのような電気機械のための本発明によるブラシ装置１の概略的な側方図が示されている。このブラシ装置１は、ブラシ３が取り付けられるブラシホルダ２を有している。ブラシ３は、黒鉛の割合が高い材料から製造されているので炭素ブラシとも言われる。ブラシ３は、ブラシホルダ２の第１のばね４と第２のばね５とによって、回転する整流子６に押し付けられ、従ってプレロードをかけられている。第１のばね４と第２のばね５とは、半径方向Ｒで互いに平行に配置されている。有利な構成では、これらのばねは同じばね定数Ｃ_１を有しており、ばね素線の直径、長さ、厚さといった設計においても同様に形成されている。軸方向の負荷により必要であるならば、別の構成では、両ばね４，５は異なるばね定数Ｃを有していても良い。第１のばね４と第２のばね５とはコイルばねである。

図２には、図１に示したブラシ装置１の概略的な平面図が示されている。ブラシホルダ２には、同じ大きさのばね４，５が平行に取り付けられていて、これらのばね４，５により、整流子６上に載着されるブラシ３の均一な押圧特性が得られる。

図３には、本発明の主要な思想による本発明のブラシ装置１の概略的な側方図が示されており、このような本発明の思想によれば、ブラシ３のリッツ線７は、従来のもののように、半径方向で直列的に、即ち、ばね４，５に対して直列的に配置されているのではなく、第１のばね４と第２のばね５に対して並列に配置されている。リッツ線７は、図３に示したように、ブラシ３の中間付加部８に押し込まれている。

リッツ線７がばね４，５に対して並列に配置されていることにより、図３に、軸方向の線で、摩耗限界Ｖ_Ｇ１として示した付加的な摩耗長さが生じる。これに対して点線で、リッツ線９が、半径方向でばね５の手前に記載されている。これは先行技術において取り付けられたものであり、従って摩耗限界Ｖ_GSerieを有している。周辺条件が同じ状態での摩耗長さの増大は、整流システム及びスタータの耐用寿命を長くすることに直結する。

図４には、ブラシ装置のばねのばね特性線を示した長さ・力グラフが示されている。最上部にあるばね特性線Ｉは、本発明による、低いばね定数Ｃ_１を有した２つのばねを使用した場合のばね長さＬ_Ｆに関する、標準的なばね力Ｆ_Ｎを示している。この図によれば、ばね力が、比較的大きなばね長さにわたって僅かに減少することが示されている。

その下には、先行技術によるブラシ装置に組み込まれているような、従来の１つの個別のばねのばね特性線ＩＩが示されている。ばね力Ｆ_Ｎは、比較的大きなばね長さＬ_Ｆで、即ち、ブラシ３の摩耗が比較的大きい場合に、小さなばね定数Ｃを有する平行に配置された２つのばね４，５を使用するものよりも著しく減少している。

ばね特性線ＩＩＩは、本発明によるブラシ装置１に組み込まれているような個々のばね４，５について、ばね長さＬ_Ｆに関する標準的なばね力Ｆ_Ｎを示している。ブラシ３を整流子６に押し付ける、平行に配置された少なくとも２つのばね４，５を使用することにより、機械的に転流される電気機械において、しばしば始動が繰り返される場合でもできるだけ均一な押圧力と長い稼動時間が得られる。

全ての図面は、縮尺が厳密なものではない単なる概略図である。本発明を示した図面は特に基本的なものとして参照される。

Claims (8)

1. 電気機械のためのブラシ装置（１）であって、ブラシホルダ（２）と、該ブラシホルダ内に取り付けられたブラシ（３）と、該ブラシに組み込まれたリッツ線（７）と、第１のばね（４）とを有しており、該第１のばね（４）がブラシ（３）を整流子（６）に向かって予負荷している形式のものにおいて、
   少なくとも１つの第２のばね（５）が、ブラシ（３）を整流子（６）に向かって予負荷している前記第１のばね（４）に対して平行に配置されていることを特徴とする、電気機械のためのブラシ装置。
2. 特に請求項１に記載の電気機械のためのブラシ装置（１）であって、ブラシホルダ（２）と、該ブラシホルダ内に取り付けられたブラシ（３）と、該ブラシに組み込まれたリッツ線（７）と、第１のばね（４）とを有しており、該第１のばね（４）がブラシ（３）を整流子（６）に向かって予負荷している形式のものにおいて、
   前記リッツ線（７）が前記第１のばね（４）に対して平行に配置されていることを特徴とする、電気機械のためのブラシ装置。
3. リッツ線（７）が、第１のばね（４）と第２のばね（５）との間で平行に、ブラシ（３）の中間付加部（８）において配置されている、請求項１又は２記載のブラシ装置。
4. 整流子（６）からリッツ線（７）の中央までの半径方向の距離が、整流子（６）からばね（４，５）のブラシ（３）における支持面までの距離よりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載のブラシ装置。
5. 第１のばね（４）のばね定数（Ｃ_１）と第２のばね（５）のばね定数（Ｃ_１）とがほぼ同じ大きさである、請求項１記載のブラシ装置。
6. 第１のばね（４）のばね定数（Ｃ_１）と、第２のばね（５）のばね定数（Ｃ_１）とが、１つのばねを有したブラシ装置（１）におけるばねのばね定数よりも小さい、請求項１又は２記載のブラシ装置。
7. 第１のばね（４）の寸法と、第２のばね（５）の寸法が、１つのばねを有したブラシ装置（１）における寸法よりも小さい、請求項１から６までのいずれか１項記載のブラシ装置。
8. ブラシ装置（１）が交換可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載のブラシ装置。

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