JP5281077B2 - 回転シャフトの電流を低減するための改良された接地ブラシシステム - Google Patents

Description

本発明は一般的には接地装置に関し、より詳細には、モータシャフト、タービンシャフトなどの回転シャフト、及び電荷を生じるか又は電荷を蓄積し得る部品に導電的に結合される他の可動部品を含む移動体のための接地装置に関する。

なお本出願は、２００７年４月２３日に提出された米国仮出願番号６０／９２５，８３３の利益を主張する。

シャフト誘導電流は、電動モータ、通常は可変速ドライバによって駆動される三相モータにおいて経験されるところである。可変速ドライバは、ＡＣモータの速度を変化させるパルス幅変調技術を利用しており、それにより以前はより高価なＤＣモータが使用されていた種々の適用分野において、より安価なＡＣモータの使用が可能になった。可変速ドライバを有するＡＣモータを使用することの欠点は、可変速ドライバによってより高い同相電圧（ＣＭＶ）が発生し、それによりシャフトの誘導電流が増大することである。

モータシャフトの電圧によって、シャフトのベアリングを通ってモータフレームへ、そして地面へ流れる電流が生じる。モータが運転している間、ベアリングは電流に対して高い抵抗となり、その結果、シャフト表面上に電荷が蓄積される。短期間にＣＭＶによって、電荷は高レベルに蓄積される。電荷が、最も電気抵抗の小さい経路（時にはシャフト上のボールベアリングを通る）の域値レベルを超えると、瞬間的な突発又は放電電気エネルギーが経路を通る。放電によって、経路に沿って放電加工（ＥＤＭ）が生じ得、最も電気抵抗の小さい経路がベアリングを通る場合、軸受けレースの表面及びベアリングのボールが破損することがある。突発電気エネルギーによって溶融クレータが形成され、クレータ形成で生じた微粒子が密封されたベアリング内に残存する。溶融クレータ及びベアリング内の微粒子材料の両方がベアリングの自由な回転を妨げるように作用し、このことによってベアリングの物理的な破損及び早期の故障を引き起こし得る。

この問題を克服しようとして使用されてきた多くの低減技術が知られている。公知の試みとしては、導電性のベアリンググリースの使用、ベアリングの絶縁、並びに銅／リンのブラシ及びファラデーシールドの使用が挙げられる。一般的な、やや費用効率の良い解決法は、バネ付勢銅ブラシを用いてシャフトを接地し、電流を絶えず地面に流すことである。しかし、銅ブラシは早く摩耗し得、頻繁で定期的な点検及び交換が必要となる。さらに、シャフトに蓄積する酸化物及びブラシとシャフトとの間のその他の障害物により電流が低下し、そして電気エネルギー突発がブラシとシャフトに生じる。また、バネ付勢ブラシは、ブラシとシャフト表面との間の交番摩擦が交互に起きることによって振動しがちである。ブラシの振動は、原因が何であれ、望ましくないスパークを発生し得る。

シャフトを包囲するホルダー内に導電性フィラメントを含む接地ブラシを使用することが知られている。薄いフィラメントを有するブラシは、絶縁シャフト又は絶縁ローラ上の電荷を減少させる非接触電離装置として使用され得る。又、薄くて軽いフィラメントは、回転シャフト又は他の可動表面に対する接触導体として使用され得る。しかし、非接触電離装置又は接触導体のどちらとしても、薄フィラメント接地ブラシの有効性は、それが相互作用する表面の特性によって損なわれ得る。シャフト又は他の表面の腐食は、性能に悪影響を与え得る。新しいモータの接地性能は、時間が経つにつれてシャフトの腐食と共に減少し、そしてこの型の接地システムを追加導入することは、モータシャフトが腐食した場合に問題となり得る。

この分野において必要とされるものは、不利な条件下でも長期間有効に使用され得、かつ追加導入品として設置されるか又は新しい装置に組み込まれ得る接地システムである。

本発明は、モータハウジング面板と、前記面板の外方に延びるモータシャフトと、前記モータシャフトの周囲に配置され、かつ前記面板に固定される接地ブラシシステムとを含む電動モータにおいて、前記接地ブラシシステムが、前記モータシャフト上に配置される導電性カラーと、前記導電性カラーを包囲するブラシ集成体とを含み、前記ブラシ集成体は、前記面板に電気的に接続すると共に前記面板の外表面に取付けられ、かつ、先端が前記カラーに向かって半径方向内向きに延びる導電性フィラメントを有しており、前記導電性フィラメントは、前記モータシャフトおよび前記カラー上の静電荷によって電場が生成されたときに電離を誘導することができるように十分小さい直径を有し、かつ、該電動モータの特定の作動条件下で前記カラーに接触し、他の作動条件下では小さな間隙を以って前記カラーから離間する電動モータを要旨とする。

本発明に従う接地ブラシシステムを有するモータの斜視図である。 図１に示される接地ブラシシステムにおいて使用されるシャフトカラーの斜視図である。 図１に示されるモータ及び接地ブラシシステムの部分断面図である。

本発明の他の特徴および利点は、以下の発明の詳細な説明、特許請求の範囲および図面の記載から、当業者には明らかとなろう。添付図面において同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明は、以下の説明または添付図面の記された詳細に限定されない。本発明は、他の形態や種々の方法で実施することができる。また、ここで用いる文体や用語は説明のためのものであって、限定する趣旨ではない。本明細書中で用いられる「含む」「具備する」等の用語は、その後に列挙される事項および均等物並びに他の事項および均等物を包囲する意味である。

ここで図面、特に図１をより詳細に参照すると、番号１０は本発明に係る接地ブラシシステムを表わす。接地ブラシシステム１０は、モータ１２のシャフト１６上に蓄積され得る電荷を消失させるために、モータ１２上、特にモータ１２のハウジング面板１４に設置される。接地ブラシシステム１０は、異なる型のモータに対し及び異なる直径のシャフト１６に対して使用するために、種々の異なる大きさで提供され得ることを理解されたい。また、接地ブラシシステム１０は、タービン、コンベヤー、並びに電荷を蓄積し得る他の装置及び構造物の回転シャフト上で使用され得る。本発明の使用は電動モータに制限されず、そしてモータ１２は本発明のための適切でかつ有利な１つの使用例としてのみ示され、かつ記載される。

接地ブラシシステム１０は、シャフト１６を包囲するように該シャフト上に取り付けられるシャフトカラー２０、及び取付プレート２４を介してモータ面板１４に固定されるブラシリング集成体２２を含む。ブラシリング集成体２２はカラー２０を概ね包囲しみ、そしてシャフトカラー２０と取付プレート２４との間に動作可能なように配置されることで、モータ１２の動作中にモータシャフト１６に蓄積される静電気又は他の電荷をモータ１２の接地部を通して消失させる。

シャフトカラー２０は、マイクロファイバー接地ブラシシステムの効率を高めて回転表面上の電流を低減するために用いられる。カラー２０は、例えば、銀、金、銅又はニッケルなどの、高導電性材料から形成され、或いは、高導電性材料によって被覆される。望ましくは、材料は高導電性で、かつ腐食及び他の導電性を劣化させる現象に対し高い抵抗を示す。カラー２０はこのような材料で形成することができるが、他方で、より安価な導電性材料で作成し、そしてブラシリング集成体２２と電気的に影響しあう位置にあるカラーの外表面を、高導電性でかつ劣化抵抗性材料で被覆するようにしても良い。

図示の好ましい実施態様において、カラー２０はアンカーリング２６及びアンカーリング２６に隣接する接触リング２８を含む。接触リング２８は、例えばその外表面に金、銀、銅及びニッケルなどの高導電性材料の高導電層３０を有する。カラー２０の内径中にシャフト１６の外表面がはめ込まれるように構成され得る。又は、カラー２０は、ネジ穴３４内に挿入される留めネジ３２などを介してシャフト１６に固定され得る。ネジ３２は、カラー２０とシャフト１６とを密接に電気的接触させる。別の変形実施例によれば、カラー２０はシャフト１６に対して掴持される２つ以上の部分から構成して、シャフト１６に対してカラー２０を直接的に電気的接触させるようにすることができる。本発明のいくつかの適用例において、高導電層３０を接地されるべき回転シャフト又は他の可動部品の表面上に直接設けても良いことも又、理解されたい。例えば、導電性インク又は塗料を、表面に直接塗布することもできる。

ブラシリング集成体２２は、環状本体４０及びその中に配置されるブラシ集成体４２を含む。本体４０は、外側部分４４、内側部分４６、及び基部４８を含む。外側部分４４、内側部分４６及び基部４８は一緒になってブラシ集成体４２を収容する環状チャネルを形成する。本体４０は金属などの導電性材料で作成され、この金属としてはアルミニウム、ステンレス鋼、ブロンズ及び銅が挙げられるがこれらに限定されない。本体４０は又、導電性プラスチックで形成されても良い。

ブラシ集成体４２は、個々の繊維状導電性フィラメント５０を複数有し、この導電性フィラメントは、実質的に連続するアンカーリング内か、又はシャフト１６の周囲に設置される複数の繊維束中に個々に設置されても良い。１つの例示的な実施態様において、各フィラメント５０は、炭素繊維、ステンレス鋼、アクリル又はナイロン繊維などの導電性プラスチック、あるいは電場が存在した場合に電離を誘導することができるように十分小さい直径を有するその他の繊維型導電性フィラメントから形成される、微細な毛髪状フィラメントである。このような実施態様において、導電性フィラメント５０は一般に、約１５０ミクロンより小さい直径を有する。１つの実施例によれば、導電性フィラメント５０は、約５ミクロンから約１００ミクロンの範囲内の直径を有する導電性フィラメントである。あるいは、導電性フィラメント５０は、層３０に対して接触保持される、これより大径の導電性材料の繊維であっても良い。

導電性フィラメント５０は、固定構造部によって本体４０内に固定される。固定構造部５２は導電性であり、導電性フィラメント５０を狭持する板などのクランプ構造体の形態であり得る。これとは別に、固定構造部５２は、本体４０内に導電性フィラメント５０を固定する、導電性プラスチック、導電性接着剤などの充填材料の導電体でも良い。導電性フィラメント５０の遠位端５４の部分は、固定構造部５２の内表面５６を超え、シャフト１６及びシャフト１６上のカラー２０の層３０に向って外側及び内側部分４４、４６の半径方向内方に延びる。滑らかな耐食層３０と共に使用する場合、薄くて軽量の導電フィラメント５０は、動作中の大幅な摩耗なしにシャフト１６から電荷を直接移すために、層３０に物理的に接触し得る。しかし、フィラメント５０の遠位端５４は、層３０からわずかに隔てた関係で配置しても良く、その場合には、シャフト１６上に蓄積する電荷によって電場が生成されると、電離場が形成され、シャフト１６からフィラメント５０への電荷の間接的な移動が可能となる。さらに別の適切な配置例では、微細で軽量なフィラメント５０は、モータ１２が休止中か又は低速で動作している場合に、層３０に接触する。シャフト１６の速度が始動時及び使用時に上昇すると、空気の流れがフィラメント５０を層３０から遠ざける。

取付プレート２４は、金属などの導電性材料で作成され、この金属としてはアルミニウム、ステンレス鋼、ブロンズ及び銅が挙げられるがこれらに限定されない。取付プレート２４はまた導電性プラスチックで作成され得る。環状本体４０は、複数のクランプ６０及びネジ又はボルト６２によって取付プレート２４に固定される。図示実施態様では３個のこのようなクランプ６０とそれに関連するネジ６２が示されている。より多くの、又はより少ない数のクランプ６０及びそれに関連するネジ６２を使用しても良いこと、そして環状本体４０を取付プレート２４に対して固定するための、別の構造が使用されても良いことは、理解されるべきである。さらに別の実施態様において、取付プレート２４及び環状本体４０は、単一部品として作成又は製造され得る。しかし、取付プレート２４と環状本体４０とを別部品として構成しそれを接合するようにすると、補修時の分解が可能となる。例えば、環状本体４０は、クランプ６０を緩めることにより取付プレート２４を分離することなく、モータ１２から取り外し得る。

取付プレート２４は、モータ１２内に軸方向に挿入されるか、及び／又は貫通されるネジ棒又はボルト６４によって、モータ１２に接合される。ボルト６４は、取付プレート２４に設けられる細長い溝６６に受容される。従って、取付プレート２４は、モータ１２に対して可動式に位置決めが可能であり、そして異なる直径のモータに対し、シャフト１６から異なる半径方向距離に位置するボルト６４を受け入れることができる。図示実施態様において、３個のボルト６４及びそれに関連する溝６６が示されるが、異なる大きさ及び構造のモータ１２について適応し得るように、異なる形状の取付プレート２４が提供され得る。

カラー２０はシャフト１６に固定されて、両者間に電気的導伝性を確立する。部品の導入にあたっては、シャフト１６の表面は、酸化物、汚れ、又は他の導電性を制限する物質を除去するために洗浄され得る。モータ１２の使用中にシャフト１６上に蓄積される電荷は、シャフト１６とカラー２０との間に築かれた直接的物理的接触（留めネジ３２、アンカーリング２６及び接触リング２８の介在を含む）によって、シャフト１６からカラー２０まで移動し、層３０にも蓄積する。層３０からフィラメント５０への電荷の移動は、層３０に対するフィラメント５０の接触により直接的に、又は層３０とフィラメント５０との間に間隔が設けられる場合には電離することによって間接的に起こる。電荷は、フィラメント５０から本体４０及び取付プレート２４を通ってハウジング面板１４及びモータ１２の接地接続部まで移動し得る。シャフト１６上に蓄積される電荷は、アーク放電が起こり得る前に接地ブラシシステム１０を通って地面へと消失する。

層３０と導電フィラメント５０との間の関係及びこれらの性能は、最小限の間隔で近づけて電離的間接移動させる場合、又は物理的に接触させて層３０から直接移動させる場合のいずれについても、同時によく機能する材料を選択することによって、最適化され得る。例えシャフト１６の露出した表面が時間の経過に伴い腐食したとしても、カラー２０はシャフト１６との良好な電気的接触を維持し、そしてカラー１６及び特にその上の層３０の性質は、接地ブラシシステム１０によって高レベルの性能を維持する。

前述した種々の変形及び変更は、本発明の範囲内である。本明細書中で開示されそして規定される発明は、明細書及び／又は図面に記載されるか又はこれらから自明である個々の特徴を２つ以上を組み合わせる全ての代替的な組み合わせに及ぶことを理解されたい。これらの全ての異なる組み合わせは、本発明の種々の態様を構成する。本明細書に記載される実施態様は、本発明を実施するために判っている最良の態様を説明し、当業者が本発明を利用することを可能にする。特許請求の範囲は、先行技術によって認められる範囲の代替実施態様を含むように解釈されるべきである。
本発明の種々の特徴は、上記の特許請求の範囲中に説明される。

１０ 接地ブラシシステム
１２ モータ
１４ 面板
１６ シャフト
２０ シャフトカラー
２２ ブラシリング集成体
２４ 取付プレート
２６ アンカーリング
２８ 接触リング
３０ 高導電層
４０ 環状本体
４２ ブラシ集成体
４４ 外側部分
４６ 内側部分
４８ 基部
５０ 繊維状導電性フィラメント
５２ 固定構造部

Claims (3)

1. モータハウジング面板と、
   前記面板の外方に延びるモータシャフトと、
   前記モータシャフトの周囲に配置され、かつ前記面板に固定される接地ブラシシステムとを含む電動モータにおいて、
   前記接地ブラシシステムが、前記モータシャフト上に配置される導電性カラーと、前記導電性カラーを包囲するブラシ集成体とを含み、
   前記ブラシ集成体は、前記面板に電気的に接続すると共に前記面板の外表面に取付けられ、かつ、先端が前記カラーに向かって半径方向内向きに延びる導電性フィラメントを有しており、
   前記導電性フィラメントは、前記モータシャフトおよび前記カラー上の静電荷によって電場が生成されたときに電離を誘導することができるように十分小さい直径を有し、かつ、該電動モータの特定の作動条件下で前記カラーに接触し、他の作動条件下では小さな間隙を以って前記カラーから離間する電動モータ。
2. 前記カラーは導電性材料の層を有する請求項１に記載のモータ。
3. 前記層は導電性プラスチック、銀、金、銅、及びブロンズのうちの１つである請求項２に記載のモータ。

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