JPS638593B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は大電流型電気機械に関するものであ
る。 多くの電気機械においては、相対的に回転して
いる２つの部分間に電気的導通経路を形成するこ
とが必要である。例えば回転電機においては、回
転子と外部接続部との間に電流路を形成するよう
に、スリツプリング又は整流子の表面上を滑る導
電材料製ブラシが普通用いられる。こうしたブラ
シの主な要件は、ブラシとその接触面との界面の
単位面積当りの通電量が大きいことおよび耐摩耗
性が高く、摩耗が少ないことである。 従来のブラシには、炭素、黒鉛及び炭素―金属
ブロツクが用いられていた。これらのブロツクは
空気中で満足すべき作動をするには電流密度約
100アンペア／平方インチ（約15.5アンペア／cm²）
に制限される。しかしこうしたブラシの場合、通
電用の実際の界面接触領域として用いられ得るの
は通常はブラシ表面積のわずか約１／10000であ
る。これは、界面接触領域に酸化物の膜が存在す
ること、ブラシとスリツプリング面の表面形状が
不整なこと及び表面上に小さい破片が集電してい
ることによるものである。ブラシの接触を改善す
るための大きな荷重力によりブラシの摩耗が増大
する。 米国特許第3668451号及び米国特許第3886386号
には、接触の問題を解決するために多素子型ブラ
シを用いる試みがなされている。多素子型ブラシ
は、金属被覆を有する非導電性の酸化アルミニウ
ム繊維或いは窒化ホウ素繊維又はめつきを施こし
てあるか又は施こしてない細長い導電性炭素繊維
をケース内に密に装填したものである。こうした
ブラシにより、良好な接触面積と、高強度及び可
撓性が得られる。これらのブラシは、１分間約
18000フイート（約5400m）以下の連続摺動速度
で約1000アンペア／平方インチ（約155アンペ
ア／cm²）程度の電流密度について使用し得る。 酸化物の膜による電圧降下と大きな摩耗とを除
く試みには、米国特許第1922191号に教示されて
いるように、冷却剤として水素ガスを使用すると
共に、非酸化性冷却ガス中に少量の水銀蒸気を導
入すること等がある。最近では、米国特許第
2662195号及び米国特許第2703372号に教示されて
いるように、高空飛行する航空機に用いられ希薄
な乾燥した空気中で作動する直流発電機又は電動
機のブラシの潤滑及び冷却用に、アルコール、エ
ーテル、エステル又はケトンで調整した空気が使
用されている。 最近15年間は、船舶推進用又はパルス作動核融
合発電用の単極機の開発への関心が高まつてい
る。このような電機は一般に、機械の定常作動中
は導体に流れる電流及び磁界がこれらの導体に関
して同一方向を保つ型式の電機である。 こうした大電流回転電機の集電装置は、効率を
高め、回転電機の大きさを妥当なものとするため
に、非常に苛酷な条件の下に作動させなければな
らない。ブラシ界面接触部においての電流密度レ
ベルは、2000フイート／分（約600m／min）以
下の連続摺動速度で、5000アンペア／平方インチ
（約775アンペア／cm²）にもなり得る。パルス作動
機械は時には数百ミリ秒の間65000フイート／分
（約19500m／min）の速度で25000アンペア／平
方インチ（約3875アンペア／cm²）を要求すること
がある。 英国特許第1256757号には、ナトリウム―カリ
ウム型の非常に複雑で高価な液体金属集電装置を
用いることによつて単純回転電機の集電の問題を
解決する試みが開示されている。この金属型集電
装置は導電度が高く接触が密に行なわれるが、機
械の設計、擾乱、毒性及び材料の共存性について
重大な問題も提起する。 単極型その他の大電流型電気機械を経済的に魅
力あるものとするには、簡単で、コストが安く、
電気的および摩擦集電損を最小限にできる新しい
集電装置及び環境装置が開発されねばならない。 本発明によれば、固定部材と、可動部材と、こ
れら部材間に配設されてその内一の部材に摩擦接
触する少くとも１個の集電ブラシとを有する大電
流型電気機械に於て、上記集電ブラシが複数の独
立可撓性の導電金属繊維を有し、上記摩擦接触領
域が空気から遮断され、上記摩擦接触領域が上記
集電ブラシと上記集電ブラシに摩擦接触する上記
部材との間に潤滑膜を形成するのに有効な量の水
蒸気を含む非酸化性ガス媒体を有して潤滑作用を
生じさせ上記集電ブラシの摩擦領域での摩耗を量
小としたことを特徴とする大電流型電気機械が得
られる。 本発明が一層よく理解されるように、本発明の
好適な実施例を添付図面に沿つて詳細に説明す
る。 第１図には囲いを有するドラム形大電流単極回
転電機１０を示す。単極電気機械の理論は、フア
ラデーが英国学士院に最初の単極発電機を提示し
た1831年に遡る。フアラデーは、馬蹄形磁石の磁
極間で円板を回転させて、円板の径方向内端およ
び外端で集電することにより電圧を発生させ得る
ことを実証した。 単極機の１つの特徴は、電機子巻線が２つの区
分即ち回転区分と静止区分とから成つていること
である。この形態は電機子において使用され得る
巻回数を制限する。電機子巻線の巻回数が少ない
ので、単極機は本来低電圧大電流型の回転電機で
ある。この種の機械の進歩は、回転部材と固定部
材との間の摺動接点を経て大電流を伝達せねばな
らないため、1831年以来長年制限されていた。 単極機は２つのカテゴリー即ち円板型とドラム
型とに分類できる。円板型の場合、ソレノイド型
直流磁石により生じた軸方向磁界が、この磁界と
直角な平面内において作動する円板形回転子によ
つて切られる。円板が回転すると、磁界の結合の
増大による電圧が径方向に生ずる。円板の外径部
と中心とにブラシを配設することにより、入力さ
れた機械的な力から系統内の機械的及び電気的損
失を差引いたものに相当する電力が取出される。 第１図に示したドラム型単極機において、固定
子１１内のソレノイド形直流磁石コイルにより生
じた半径方向磁界（矢印で示す）は、ドラム形回
転子１２によつて切られる。ドラムが回転する
と、電圧が発生する。ドラム形回転子１２の両端
にブラシ１３を配設することによりこの装置から
リード線１４を経て電力を取出すことができる。
図中１５はベース、１６は囲い、１７は空隙であ
り、回転子１２が回転すると回転子１２の導電路
は空隙１７中の磁力線を横切つて運動する。ブラ
シ１３が図示しない固定支持部材と回転子１２と
の間に配設されている。 中実ドラム型単極機には、中実円板形単極機と
同様、大きな周速が摺接電気接点であるブラシ１
３の設計を制限する機械的及び電気的制約が存在
する。円板型の場合、円板を複数の円分に分割し
てこれらの区分を直列に接続するか、いくつかの
円板を直列に接続するかして、その電圧を増大で
きる。ドラム型単極機の場合、ドラムを複数の区
分に分割してこれらの区分を直列に接続するか、
又はいくつかのドラムを直列に接続するかして、
電圧を増大できる。「単極機」とはこれらの全て
の形態を包含する意味をもつものとする。 電流は、回転電機１０の内部において温度制御
された非酸化雰囲気と共働して多素子型ブラシを
用いて搬送され、多素子型ブラシは、適宜の接触
リード線において作動する多数の夫々別個に可撓
性（独立可撓性）即ち機械的に互に独立した繊維
から成るものである。これらの独立可撓性の繊維
は各々可撓性で、独立した運動を自由に行い得
る。これらの繊維は、接触端において広げられて
おり、捩られたり、シースに収容されたりして互
に押付けられてはいない。ブラシ１３には圧力又
は負荷が加えられているため、ブラシ１３はスリ
ツプリング１８の表面において回転子界面と接触
する。ブラシ１３は付設したリード線１４を経て
電気回路に適宜機械的及び電気的に接続されてい
る。第１図に示すドラム型回転子１２が鋼製であ
る場合、アルミニウム、銅又は他の高電導材料製
リム１９を回転子１２の外面に接合してもよい。 ブラシ１３は複数の、一般には５個乃至
10000000個の素子から成る。回転電機の固定部分
上に一組のブラシ１３を図示したが、ブラシ１３
は回転部材例えば回転子１２の周面の周りに円形
に配設でき、数億個の素子を包含し得る。適切な
繊維は、銀、ロジウム、ルテニウム、金、コバル
ト、アルミニウム、モリブデン、銅およびこれら
の合金から選択された金属である。望ましい金属
は銅である。これらの繊維は、円形であれば、４
×10^-4インチ乃至４×10^-2インチ（約10μ乃至約
1000μ）の太さ即ち直径を有する。ここで太さと
は直径を包含する太さを意味し、円形と長方形の
両者の形状について用いられる。繊維は好ましく
は0.08インチ乃至10インチ（約２mm乃至約25mm）
の自由長を有する。 ４×10^-4インチ（約10μ）以下の太さの繊維で
はブラシが脆くなり、長さを非常に短くするか荷
重を小さくすることが必要となつて、回転子の偏
心及びブラシおよびスリツプリング間の潤滑膜の
厚さの増大に基づくブラシ―スリツプリング間の
接触不良が生じ得る。繊維直径が４×10^-2インチ
（約1000μ）を超えると、ブラシが剛くなり、ブ
ラシ―スリツプリング間の良好な接触のために荷
重を増大するかあるいは素子を長くすることが必
要となる。そのため繊維が潤滑膜を突抜けること
があり、過大な熱及び摩耗が生ずることがある。
スリツプリング１８は、ブラシ１３について上述
した金属又は合金、好ましくは銅又は銀めつき銅
から製造し得る。スリツプリング１８又は他の移
動表面上においての繊維の機械的接触荷重は重要
であり、繊維１本当り１×10^-6ポンド乃至１×
10^-2ポンド（約0.45×10^-6Kg乃至約0.45×10^-2Kg）
としなければならない。繊維１本当り１×10^-2ポ
ンド（約0.45×10^-2Kg）を越えると潤滑膜の突抜
けが生じ得る。また繊維１本当り１×10^-6ポンド
（約0.45×10^-6Kg）より小さくすると導電度の減
少が生じ得る。 多素子ブラシと組合せて、囲い16の内部例えば
間隙１７には制御された作動雰囲気が維持され
る。絶縁膜の形成、過大な蓄熱又はブラシの摩耗
などのない作動を確保するには、二酸化炭素、ア
ルゴン、ヘリウム、窒素又は水素又はこれらの混
合物から選ばれた気体の酸素を含まない高熱伝導
性の湿つた雰囲気を使用せねばならない。 加湿された非酸化性ガスは、電気機械１０内に
完全に閉込めてもよいが、例えば入口２０から流
入して出口２１から流出するように電気機械１０
に連続的に通過させてもよい。湿つたガスは、潤
滑効果を実現するようにブラシ１３と回転部材と
の界面に入り且つこれと接触しなければならな
い。このガス中に存在する水分の量は、スリツプ
リング１８とブラシ１３の表面の間に潤滑性を与
えられるようにスリツプリング１８とブラシ１３
の表面上に非常に薄い水蒸気の膜を吸着させるの
に有効な量としなければならない。H₂Oのこの
膜は１乃至10分子程度の厚さをもつと考えられ、
好ましくは連続している。ガス中の水蒸気の分圧
は、一般に氷点での飽和圧である0.09psi（約
0.00036Kg／cm²）乃至室温飽和圧である0.36psi（約
0.0014Kg／cm²）である。氷点での飽和圧である
0.09psi（約0.00036Kg／cm²）の分圧より小さいと、
形成された潤滑膜は不連続となり潤滑作用をほと
んどもたない。室温での飽和圧である0.36psi（約
0.0014Kg／cm²）を越えるとH₂O膜はブラシ―スリ
ツプリングの界面においての電流の流れを妨げる
傾向をもつようになり、回転電機１０の加熱され
ない領域において凝縮が生じることがある。 熱伝導度の良好なブラシ繊維を使用し、ブラシ
面において低摩擦接触潤滑膜が形成されると、ス
リツプリング１８との間のブラシ１３の平均界面
接触温度は典型的には75℃乃至200℃となる。 空気を除外すると、総体的な酸化と、表面膜の
機械的応力―強度関係に応じて摩耗速度の増大又
は接触膜の比抵抗の増大とが防止される。水蒸気
の導入により、物理的吸着又は化学的吸着によ
り、適切な作動のために必要な回転するスリツプ
リングと回転部材に接触するブラシ面とに制御さ
れた界面膜が生ずるものと考えられる。 第３図に示すように、ブラシ１３を多数の分離
された実質的に互に平行で機械的に独立し独立可
撓性の金属素子に区分すると、それに応じて摺動
界面上に機械的な力が分散される。荷重の均等な
分担とスリツプリング面の不整に追従する能力と
を確保するには、各繊維の独立した運動の自由及
び融通性が必要になる。この場合各素子は非常に
小さな接触力をもつ別々の接点とみなし得る。こ
のことは、上述した潤滑膜と組合わされて、潤滑
界面膜を通して電子の移動ができるようにするの
に充分な近接位置において金属面が滑るようにす
るが、密な金属接触及び局所的な融着は実質的に
阻止する。 以上は単極回転電機に本発明を適用した場合に
ついて説明したが、本発明は、例えば大型電動機
等の一方又は両方が他のものに対し運動する２つ
の部分の間に電気的導通経路を必要とするあらゆ
る型式の回転型又はリニア型の電気機械又は装置
にも有利に適用できる。またブラシは可動部材に
もあらゆる固定部材にも取付けることができる。 試験 １ 第２図に示す単純な動力負荷された集電装置に
おいて単一束繊維ブラシを試験した。集電装置は
雰囲気の制御を行えるように密封した室中に収容
した。ブラシはハンドスプレツド銅ケーブルであ
り、各々直径５×10^-3インチ（約127μ）の168本
の銅繊維素子から成るものであつた。ホルダーか
らの各ブラシ素子の突出部は約0.31インチ（約８
mm）であつた。各々の銅繊維素子は他の銅繊維素
子から機械的にもたれみ動作上からも互に独立し
ていた。 第２図および第３図に示すケーブル４０は、荷
重アーム４２に取付けた銅製ホルダー４１に嵌合
させた。ブラシ４３の広げられた先端は、ホルダ
ー４１の前面から突出し、多数の独立した実質的
に平行な繊維を具えていた。止めねじ４４により
ブラシ４３を試験のための所定位置に固定した
が、電流分路としても用いられるケーブル４０を
前進させることにより、ブラシ４３の摩耗分を補
うようにブラシ４３を周期的又は連続的にホルダ
ー４１を経て送り得るようにした。分路はブラシ
接触力への影響を最小とするように位置させた。
ブラシ接触力は電気接続の完成後に測定した。密
封した室は図示されていない。 ブラシ４３は直径82.6mmのスリツプリング面４
５に対して約45゜の角度にセツトした。使用した
スリツプリングは中実の銅製又は銀めつきした銅
製であつた。ブラシ４３とスリツプリングとの界
面４６に良好な接触が得られるように、砥粒を外
側にして回転スリツプリングの周周面に巻付けた
240グリツトの酸化アルミニウム小粒を植設した
布を用いて、ブラシ面をスリツプリングの曲率に
合わせて成形した。ブラシ４３の摩耗は摩耗セン
サー４７により測定した。ブラシ面上に適切な曲
率が形成され、布を除去した後、スリツプリング
面４５とブラシ４３のホルダー４１との間で接触
電圧降下を測定した。 大部分の接触電圧降下試験は、湿つた二酸化炭
素又はアルゴンを非酸化性ガス媒体として使用し
て行つた。ブラシ―スリツプリングの界面４６に
連続した潤滑膜を形成するように、ほぼ大気圧の
室を経て湿つた非酸化ガスの連続流を通過させ
た。水蒸気の分圧は0.36psi（室温での飽和値、約
0.0014Kg／cm²）であつた。スリツプリングの速度
は大体2380フイート／ｍ（2800RPM）に保つた。
ブラシはスリツプリングに対して正電位とした。
電流密度は各繊維の断面積について計算した。試
験の結果を表１に示す（大部分は２時間の作動時
間についてのもである）。

【表】 繊維接触圧は、通常は１本の繊維当り約2.4×
10^-4ポンド（約1.1×10^-4Kg／cm²）であつた。湿
つた二酸化炭素又はアルゴンガスを使用した、模
擬された高速回転電機からのこのデータは、銅製
スリツプリングの場合の非常に低い電圧損失並び
に銀めつきされたスリツプリングの場合のすぐれ
た結果を示している。8000アンペア／平方インチ
（1240アンペア／cm²）での繊維ブラシとの比較と
して、100アンペア／平方インチ（15.5アンペ
ア／cm²）の同じ全電流を通す銅96％を含有する普
通の金属一黒鉛製ブラシは、0.5インチ（約1.28
cm）平方で、その電圧降下は約100mVとなるで
あろう。 8000アンペア／平方インチ（1240アンペア／
cm²）の場合、ブラシの平均界面接触温度は200℃
よりもかなり低かつたが、これは潤滑作用をする
水蒸気膜が形成されたことおよび発生した熱が熱
伝導性の良い多数の独立した繊維の使用により消
散したことを示すものであつた。各試験後にブラ
シ面を検査したが、各々の場合に、摩耗は最小
で、繊維の酸化又は融着は認められなかつた。
65000アンペア／平方インチ（994アンペア／cm²）
の場合、60000アンペア／平方インチ（930アンペ
ア／cm²）を越える値で約２時間作動させた後に
は、界面温度は300℃を越え、ブラシの多少の変
形が認められた。しかし試験により電流が非常に
大きくてもブラシ及びスリツプリングは短期間作
動できることが示された。 二酸化炭素中の水蒸気分圧を0.09psi（氷点飽和
値、約0.00036Kg／cm²）に減少させると、スリツ
プリング面４５上のブラシ４３の径路が少し粗く
なり、電圧降下測定値が乱れ始めた。この値より
も更に分圧値を減少させると接触面が粗くなつて
接触電気抵抗が増大する。 室内空気を導入すると、接触電圧の測定値が非
常に不規則になり、ブラシ及びスリツプリング面
が急速に摩耗した。このように使用ガスと水蒸気
の存在量との組合せは、有効率的な通電の可能な
低摩擦摺動接触面を形成する上に重要である。 試験 ２ 或る範囲の電流密度及び摺動速度において多束
型繊維ブラシの試験を行つた。試験装置は実施例
１のものより少し大形であつたが、その作用は同
じであり、繊維接触ケーブルも同じであつた。し
かしブラシ15束（各々５個のブラシを含む３列）
から成り、各々直径５×10^-3インチ（約1.27×
10^-1mm）で長さ0.31インチ（約7.9mm）の2520本の
別々のハンドスプレツド銅繊維要素を有するもの
であつた。ブラシは普通のホルダーに嵌合するよ
うに長方形状に配列した。各繊維要素は機械的及
びたれみ動作上互に独立したものであつた。ブラ
シケーブル端を半田付けして２つの電流分路を形
成した。ブラシ面は実施例１において説明したよ
うにスリツプリング面に合せた輪郭とした。 多束型ブラシは直径356mmの銅製スリツプリン
グ面に対し約45゜の角度にセツトした。接触電圧
試験の結果を表２に示す（多くは２時間の作動時
間についてのものである。）。

【表】 このデータは、実用の場合と同様に多束型ブラ
シを用いた模擬された大電流回転電機からのもの
であり、4000アンペア／平方インチ（約620アン
ペア／cm²）、2380フイート／分（約714m／min）
及び15000アンペア／平方インチ（約2325アンペ
ア／cm²）、9600フイート／分（約2880m／min）
の両方について銅製スリツプリングからの電圧損
失が非常に低いことを示している。 ブラシ界面の平均接触温度は、いずれの場合に
も200℃より相当低く、これは連続した潤滑膜が
形成されたことと、発生した熱が熱伝導率の良好
な複数の繊維の使用により消散したことを示す。
各試験後にブラシ面を検査し、各々の場合につい
て摩耗が最小となることが示され、繊維の融着は
認められなかつた。 先に述べた銀又は他の種類の繊維を使用した
り、先に述べた他のスリツプリング面を使用した
場合にも同様の優れた結果が得られ、又、先に述
べた他の湿つた非酸化雰囲気を使用した場合にも
すぐれた結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は囲いを有するドラム型単極回転電機の
概略図、第２図は試験に使用したブラシ試験装置
の概略図、第３図はブラシ構造を示す詳細図であ
る。 符号の説明、１０……電気機械、１１……固定
子（固定部材）、１２……回転子（回転部材）、１
３，４３……ブラシ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定部材と、可動部材と、これら部材間に配
   設されてその内一の部材に摩擦接触する少くとも
   １個の集電ブラシとを有する大電流型電気機械に
   於て、上記集電ブラシが複数の独立可撓性の導電
   金属繊維を有し、上記摩擦接触領域が空気から遮
   断され、上記摩擦接触領域が上記集電ブラシと上
   記集電ブラシに摩擦接触する上記部材との間に潤
   滑膜を形成するのに有効な量の水蒸気を含む非酸
   化性ガス媒体を有して潤滑作用を生じさせ上記集
   電ブラシの摩擦領域での摩耗を量小としたことを
   特徴とする大電流型電気機械。 ２ 上記摩擦接触領域での上記集電ブラシの繊維
   の機械的接触荷重が繊維１本当り１×10^-6ポンド
   （約0.45×10^-6Kg）ないし１×10^-2ポンド（約0.45
   ×10^-2Kg）である特許請求の範囲第１項記載の大
   電流型電気機械。 ３ 上記非酸化性ガス媒体が二酸化炭素、アルゴ
   ン、ヘリウム、窒素及び水素の内の少くとも−で
   ある特許請求の範囲第１項記載の大電流型電気機
   械。 ４ 上記集電ブラシが、銅、銀、ロジウム、ルテ
   ニウム、金、コバルト、アルミニウム、モリブデ
   ン及びこれらの合金の内から選択された金属の、
   太さが４×10^-4インチ乃至４×10^-2インチ（約
   10μ乃至1000μ）長さが0.08インチ乃至1.0インチ
   （約0.2cm乃至約2.54cm）の複数の繊維を有する特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の大電流型電
   気機械。 ５ 上記非酸化性ガス媒体中の水蒸気の分圧が
   0.09psi（約0.00063Kg／cm²）より高い特特請求の範
   囲第１項乃至第４項のいずれか記載の大電流型電
   気機械。 ６ 上記集電ブラシの繊維が、上記摩擦接触領域
   での上記集電ブラシの摩耗を補うため摩擦接触す
   る上記部材の方に絶えず送られる特許請求の範囲
   第１項乃至第５項のいずれか記載の大電流型電気
   機械。 ７ 上記集電ブラシが上記可動部材に取付けられ
   て上記固定部材と摩擦接触した特許請求の範囲第
   １項乃至第６項のいずれか記載の大電流型電気機
   械。 ８ 上記集電ブラシが上記固定部材に取付けら
   れ、上記可動部材が回転子であり、この回転子が
   銅製の集電ブラシと接触した特許請求の範囲第１
   項乃至第６項のいずれか記載の大電流型電気機
   械。 ９ 上記大電流型電気機械が単極型であり、上記
   非酸化性ガス媒体が二酸化炭素であり、このガス
   媒体中の水蒸気の分圧が0.09psi乃至0.36psi（約
   0.00063Kg／cm²乃至約0.0025Kg／cm²）であり、回
   転子スリツプリングとの接触面での上記集電ブラ
   シの平均温度が200℃より低い特許請求の範囲第
   ８項記載の大電流型電気機械。