KR101688131B1

KR101688131B1 - 개선된 파이버-온-팁 접점 디자인 브러쉬 어셈블리

Info

Publication number: KR101688131B1
Application number: KR1020147028693A
Authority: KR
Inventors: 노리스 이. 루이스; 제리 티. 퍼듀
Original assignee: 무그 인코포레이티드
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2016-12-20
Also published as: KR20140142290A; EP2826109B1; CA2866820A1; CA2866820C; JP2015517176A; EP2826109A1; US9362697B2; WO2013137843A1; US20140045348A1; JP6046796B2

Abstract

본 발명은 스테이터와 로터 간에 전기 접점을 제공하는 슬립-링의 개선된 장치를 광범위하게 제공한다. 개선된 슬립-링은 스테이터 상에 장착된 브러쉬 튜브 및 다수의 개별 파이버로 구성된 파이버 다발을 구비하는 브러쉬 어셈블리를 포함한다. 상기 파이버들의 상단 가장자리 단부는 브러쉬 튜브 내에 수용되어 있다. 상기 파이버들의 하단 가장자리 단부는 브러쉬 튜브를 지나 로터를 향해 연장하고 있다. 본 발명의 개선품은, 상기 브러쉬 튜브의 아래쪽에서 연장하는 파이버들이 상기 로터를 향해 연장하도록, 상기 브러쉬 튜브의 아래쪽에 있는 파이버들의 중심부가 제거되어 파이버들의 중심부가 고리로 되며, 상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 중심부가 제거되지 않은 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스보다 2배 큰 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 파이버-온-팁 접점 디자인 브러쉬 어셈블리 {IMPROVED FIBER-ON-TIP CONTACT DESIGN BRUSH ASSEMBLIES}

본 발명은 일반적으로 로터와 스테이터 사이에 전력 및/또는 신호(들)를 전달하는 전기 접점 기술에 관한 것으로, 특히 기존 FOT 기술에 비해, 고속의 로터 면 속도에서 파이버-온-팁(FOT: Fiber-On-Tip) 브러쉬 어셈블리의 수명을 연장하고 마찰열을 줄이며, 비용을 절감할 수 있는 전기 접점 기술의 개선에 관한 것이다.

FOT 브러쉬 어셈블리를 채용하는 종래의 슬립-링에 대한 다양한 장치와 구성들이 미국특허 US 7 105 983 B2호, US 7 339 302 B2호, US 7 423 359 B2호, US 7 495 366 B2호 및 US 7 545 073 B2호에 대표적으로 도시 및 기재되어 있다. 이들 선행기술 문헌들은 본 출원의 특허권자에게 양도된 것으로, 본 출원에 참고로 통합된다.

전기 접점들은 로터와 스테이터 간에 전력 및/또는 신호(들)를 전달하는 데에 사용된다. 이들 장치들은 태양전지판 구동장치, 비행기 및 미사일 유도 플랫폼, 풍력에너지 시스템, CT 스캔 시스템 등과 같은 다양한 국방 및 상업 분야에 사용되고 있다. 이들 활용분야 중 일부 분야에서, 슬립-링은 토크 모터, 리졸버 및 인코더와 같은 다른 부품들과 연결하는 데에 사용된다. 전기 슬립-링은 회전 플랫폼 축 상에 위치되도록 설계되거나, 전기 전점 오프-축을 위치시키는 개방형 보어를 구비하도록 설계된다. 이에 따라, 각각 "온-축" 및 "오프-축"으로 명명된다.

슬립-링의 직경은 수분의 1 인치에서 수 피트에 이르고, 로터와 스테이터 간의 상대 각속도(ω)는 1일 당 1회전에서 1분 당 20,000회전(rpm)까지에서 변할 수 있다. 이들 다양한 분야에서, 로터와 스테이터 간의 전기 접점은: (1) 높은 상대 면속도에서도 중단되지 않고 전력 및/또는 신호(들)를 전달할 수 있어야 하고, (2) 마모 수명이 길어야 하며, (3) 전기 노이즈가 작아야 하며, 그리고 (4) 최소의 공간 내에 여러 개의 회로들이 패키지 될 수 있도록 하는 물리적 크기를 가져야 한다.

브러쉬 어셈블리와 로터 간의 전기적 및 기계적 접점 물리를 적절히 관리하여 이들에 요구되는 사양을 만족시켜야 한다. 예를 들어, CT 스캔 갠트리 내에서 x-레이 튜브를 환자 신체 주위로 회전시킬 수 있도록 오프-축 슬립-링이 사용되는 경우, 15 m/sec 정도의 면속도에서 작동하고, 1억 회 회전하는 동안에도 지속되며, 갠트리 내에서 최소 용적을 점유하기 위해서는, 전기 접점들이 약 100-200 암페어(수백 암페어의 서지가 발생할 수 있는)를 전달할 수 있도록 설계되어야 한다. 직경이 약 6 피트(1.8288m)인 장치에 있어서 1억 회의 회전 사양을 만족시키기 위해서는, 브러쉬력(즉 로터에 대해 브러쉬 팁에 가해지는 힘)은 마찰열을 최소화하도록 낮아야 하며, 요구되는 전류 밀도를 달성하기 위해서는 브러쉬와 로터 링 간에 다수의 접촉 지점을 유지하여야 한다.

최근에 섬유로 된 금속 브러쉬를 사용하는 것에 새로이 관심이 쏠리고 있다. 금속 파이버 브러쉬는 고 전류 밀도를 제공할 수 있고, 전기 노이즈가 작으며, 고 면속도에서도 수명이 길다. 이들 각 파라미터는 복합체 브러쉬를 사용하는 경우보다 브러쉬와 로터 링 간의 더 많은 접촉점과 관련되어 있고, 파이버 당 힘이 작고, 마찰열이 작다. 파이버 팁들과 로터 링 간의 접촉 면적은 접점의 계면 면적으로 알려져 있다. 복합체 브러쉬와 로터 면 간의 실제 접촉 면적은 기하학적 면적보다 작은 것으로 알려져 있다. 이것이, 일부 경우에 있어서, 브러쉬를 개별의 소경 파이버로 분획하는 이유이다.

적용분야에서 요구하는 사양을 만족시키기 위해, 전기 접점들의 마찰 특성과 윤활제의 올바른 선택이 매우 중요하다. 예를 들면, 접점들이 우주공간에서 사용되는 경우, 윤활제는 지면에서 사용될 때 요구되는 사양을 만족시켜야 할 뿐만 아니라, 증기압이 낮아야만 한다. 접점들이 장수명 사양을 만족시켜야 한다면, 먼지, 마모 부스러기 및 다른 오염물질들이 접촉 영역에 쌓여, 수명과 신호 전달과 관련하여 문제를 야기할 수도 있다.

따라서, 로터와 스테이터 간에 전력 및/또는 신호(들)를 전달할 수 있는 개선된 전기 접점들을 제공할 것이 요망되고 있다.

또한 그러한 슬립-링에 사용되는 개선된 파이버 브러쉬 어셈블리를 제공할 것이 요망되고 있다.

또한, FOT 기술을 채용하고, 높은 로터 면속도에서도 수명이 긴 브러쉬 어셈블리를 제공하며, 현재의 FOT 기술보다 저렴하며 성능이 개선된 슬립-링을 제공하는 것도 요망되고 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 로터와 스테이터 간에 전력 및/또는 신호(들)를 전달하는 개선된 슬립-링을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 슬립-링에 사용되는 개선된 브러쉬 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 FOT 기술을 채용하고, 높은 로터 면속도에서도 수명이 긴 브러쉬 어셈블리를 제공하며, 현재의 FOT 기술보다 저렴한 개선된 슬립-링을 제공하는 것이다.

이들 본 발명의 목적 및 이점들은 명세서, 도면 및 첨부된 특허청구범위로부터 명확해질 것이다.

개시된 실시형태의 대응되는 부품, 부분 또는 표면에 대해서는 괄호를 사용한 참조부호를 사용하였으나, 이는 단지 설명을 위한 것이지, 한정을 하기 위한 것이 아니며, 본 발명은 스터이터와 로터 사이의 전기 접점에서 개선된 사항을 광범위하게 제공한다.

개선된 슬립-링은 스테이터 위에 장착된 브러쉬 튜브를 구비하며, 복수의 개별 파이버들로 구성된 파이버 다발을 구비하는 브러쉬 어셈블리를 포함한다. 상기 파이버들의 제1 또는 상부 가장자리 단부는 상기 브러쉬 튜브 내에 수용되어 있다. 상기 파이버들의 제2 또는 하부 가장자리 단부는 브러쉬 튜브를 지나 로터를 향해 연장하고 있다.

개선된 슬립-링은, 브러쉬 튜브의 아래쪽에서 로터를 향해 연장하도록 브러쉬의 아래쪽에서 중심부가 제거되어 있으며, 상기 중심부는 다발의 종방향 중심라인을 횡단하는 평면에서 바라보았을 때 고리 형태로 되어 있으며, 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 중심부가 제거되지 않은 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스보다 2배 크다.

상기 브러쉬 튜브의 일부분은, 그 내부에 수용되어 있는 상기 파이버들의 제1 또는 상부 가장자리 단부를 고정시키기 위해 크림프 또는 스웨이지 되어 있을 수 있다.

로터와의 접속 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 중심부가 제거되어 있지 않은 경우의 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스보다 2~1/2배 클 수 있다.

중심부는 다발 내의 파이버 수량의 약 절반만을 포함할 수 있다.

이에 따라, 예컨대, 파이버 다발은 약 2000개의 개별 파이버를 구비할 수 있으며, 중심부는 약 1000개의 파이버를 수용할 수 있는 공간을 가질 수 있다.

상기 고리는, 다발의 종방향 중심라인을 횡단하는 평면에서 보았을 때에, 반경방향 두께가 실질적으로 일정할 수 있다.

각 파이버들의 직경은 0.002 내지 0.005 인치(0.0508-0.1270mm)일 수 있다. 일 형태에서, 파이버의 공칭 직경(nominal diameter)은 약 0.003 인치(0.0762mm)이다.

튜브를 지나 로터를 향해 연장하는 각 파이버의 길이는 0.3-0.7 인치(7.62-17.78mm)일 수 있다. 일 실시형태에서, 이 길이는 약 0.40 인치(10.16mm)이다.

중심부의 횡단면 면적은 파이버 다발의 횡단면 면적의 2/3보다 클 수 있다.

로터와 접속하는 지점에서 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 약 0.006350 인치/그램(0.16129mm/g)일 수 있는 반면에, 상기 로터와 접속하는 지점에서, 상기 중심부가 제거되지 않은 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 약 0.00139 인치/그램(0.035306mm/g)일 수 있다.

로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 중심부가 제거되지 않은 경우의 상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스의 4.5배보다 더 클 수 있다.

개선된 슬립-링은, 상기 파이버 다발과 유체 연통하며, 상기 브러쉬 튜브 위에 위치하는 저장소; 및 상기 저장소 내의 윤활제를 더 포함할 수 있다.

상기 저장소는 상기 파이버들 간의 공간을 관통하여 상기 파이버 다발과 유체 연통할 수 있으며, 상기 공간을 관통하는 윤활제 유동은 상기 공간들의 크기의 함수이다. 상기 공간을 관통하는 윤활제 유동은 접점의 계면 영역에 이르게 되며, 마찰 계수를 감소시키고, 이에 따라 계면 온도를 낮추게 된다.

개선된 슬립-링은, 상기 로터를 향해 이동하도록 상기 파이버 다발을 가압하는 탄성 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 탄성 수단은 니게이터 스프링 및/또는 외팔보 스프링을 포함할 수 있다.

파이버 다발은 실질적으로 일정한 힘으로 상기 로터를 향해 이동하도록 가압될 수 있다.

본 발명에 의하면, FOT 기술을 채용하고, 높은 로터 면속도에서도 수명이 긴 브러쉬 어셈블리를 제공할 수 있으며, 현재의 FOT 기술보다 저렴한 개선된 슬립-링을 제공할 수 있게 된다.

도 1a는 2개의 고체 사이의 접합부 또는 접점을 설명하는 개략도로, 이는 본 출원 명세서에 인용된 문헌에 기재되어 있는 도면을 복사한 것이다.
도 1b는 소형 물체가 대형 물체에 항상 접촉하고 있는 것으로 고속의 슬라이딩 속도에서 분석된 시스템의 개략도로, 이는 본 출원 명세서에 인용된 문헌에 기재되어 있는 도면을 복사한 것이다.
도 1c는 종래의 슬립-링 상에 있는 마모 트랙의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 1d는 도 1c에 도시되어 있는 슬립-링 마모 트랙의 일부분을 확대한 SEM 사진이다.
도 1e는 도 1d에 도시되어 있는 스폿의 EDAX 분석 결과로, 은(Ag)과 동(Cu)이 브러쉬에서 로터로 이동했음을 보여 주고 있다.
도 1f는 도 1c에 도시되어 있는 마모 트랙을 형성하는 3개의 완전-패킹된 종래의 브러쉬의 2개의 브러쉬 블록(즉, 하나는 전방부이고 하나는 후방부)에 대한 사진이다.
도 1g는 Ag/Cu 브러쉬의 SEM 사진이다.
도 1h는 도 1g에 도시되어 있는 Ag/Cu 브러쉬의 스폿에 대한 EDAX 분석 결과로, 이는 참고로 포함되어 있다.
도 2a는 대경 로터 상에 있는 링 1의 마모 트랙을 보여주는 SEM 사진이다.
도 2b는 도 2A에 화살표로 지시되어 있는 마모 트랙의 일부분에 대한 EDAX 분석 결과로, 은과 동이 브러쉬로부터 로터 링으로 이동했음을 보여준다.
도 2c는 도 2a에 도시되어 있는 마모 트랙을 발생시킨 브러쉬의 전방부를 거의 직각에서 촬영한 것으로, 마모 트랙 상의 마모 패턴을 보여주고 있다.
도 2d는 도 2c에 도시되어 있는 브러쉬의 전방부를 사각에서 촬영한 다른 사진이다.
도 2e는 도 2a에 도시되어 있는 마모 트랙을 발생시킨 브러쉬의 후방부를 거의 직각에서 촬영한 사진이다.
도 2f는 도 2e에 도시되어 있는 브러쉬의 전방부를 사각에서 촬영한 다른 사진이다.
도 3a는 대경 로터의 링 2 상의 마모 패턴을 보여주는 SEM 사진이다.
도 3b 내지 3e는 도 3A에 화살표로 지시되어 있는 링 성분에 대한 EDAX 분석 결과로, 은 및 동이 브러쉬로부터 링으로 이동했음을 보여준다.
도 3f는 도 3a에 도시되어 있는 마모 트랙을 발생시킨 브러쉬 전방부 상의 마모 트랙을 보여주는 것으로, 거의 직각으로 촬영한 사진이다.
도 3g는 도 3f에 도시되어 있는 브러쉬의 전방부를 사각에서 촬영한 다른 사진이다.
도 3h는 도 3a에 도시되어 있는 마모 트랙을 형성시킨 브러쉬의 후방부 상의 마모 패턴을 보여주는 것으로 거의 직각에서 촬영한 사진이다.
도 3i는 도 3h에 도시되어 있는 브러쉬의 후방부를 사각에서 촬영한 사진이다.
도 4는 2개의 가상의 동심원들 사이에 반경 방향으로의 벽 두께가 실질적으로 동일하도록 정의되는 환상 단면을 구비하는 개선된 FOT 브러쉬 어셈블리의 일단부에 대한 사진이다.
도 5는 브러쉬 어셈블리의 컴플라이언스를 시험하는 고정구 사진으로, 개선된 브러쉬 어셈블리의 원위 단부 부근에 수직력(즉 브러쉬 어셈블리의 종축에 대해 실질적으로 직교하는 힘)을 보여주고 있다.
도 6은 힘(가로 좌표)에 대한 변위(세로 좌표)의 플롯으로, 개선된 중공형 브러쉬 어셈블리의 컴플라이언스와 완전-충진된(즉, 중공형이 아닌) 종래의 브러쉬 어셈블리의 컴플라이언스를 보여준다.
도 7은 개선된 브러쉬 어셈블리의 파이버들 사이의 틈새 공간에 윤활제를 공급하도록 배치되는 윤활제 저장소를 구비하는 개선된 브러쉬 어셈블리의 개략도이다.
도 8a는 소경 파이버들을 구비하는 개선된 파이버 다발의 개략적인 횡단면도이고, 파이버들 간의 틈새 공간의 크기와 수량을 나타낸다.
도 8b는 대경 파이버들을 구비하는 개선된 파이버 다발의 개략적인 횡단면도이고, 파이버들 간의 틈새 공간의 크기와 수량을 나타낸다.
도 9a는 외팔보 스프링에 의해 50 그램의 힘이 가해진 개선된 브러쉬 어셈블리에 대한 개선된 중공형 브러쉬 어셈블리의 전류(가로 좌표)에 대한 온도(세로 좌표)의 플롯이며, 개선된 브러쉬 어셈블리에 부하가중 및 부하가 가중되지 않은 속도 대 온도 특성을 보여준다.
도 9b는 3개의 다른 전류 레벨에서 외팔보 스트링을 통해 50 그램의 힘이 가해진 종래의 브러쉬 어셈블리의 속도(가로 좌표)에 대한 온도(세로 좌표)의 플롯이다.
도 9c는 외팔보 스트링을 통해 50 그램의 힘이 가해진 종래의 브러쉬 어셈블리 및 개선된 브러쉬 어셈블리의 속도(가로 좌표)에 대한 온도(세로 좌표)의 플롯이며, 또한 열전대의 위치를 보여주고 있다.
도 9d는 외팔보 스프링의 진동을 보여주는 개략도로, 본 명세서 내에 인용된 문헌에서 발췌한 도면이다.
도 10은 복합체 브러쉬를 실질적으로 동일한 힘으로 로터 표면을 향해 가압하도록 배치된 스테인리스 강재의 니게이터 스프링의 개략적인 종단면도이다.
도 11a는 복수의 윤활 FOT 브러쉬 어셈블리를 로터를 향해 이동하게 가압하도록 배치된 니게이터 스프링을 구비하는 개선된 브러쉬 어셈블리의 고 전류 밀도 디자인의 개략적인 종단면도이다.
도 11b는 도 11a에 도시되어 있는 디자인과 다른 디자인의 개략적인 종단면도로, 본 디자인 역시 개선된 FOT 브러쉬 어셈블리를 로터를 향해 이동하게 가압하도록 배치된 니게이터 스프링을 구비한다.
도 11c는 윤활 FOT 브러쉬 어셈블리를 로터를 향해 이동하게 가압하도록 배치된 하이브리드 외팔보/니게이터 스프링을 구비하는 다른 디자인의 개략도이다.
도 11d는 윤활되는 개선 FOT 브러쉬 어셈블리를 로터를 향해 이동하게 가압하도록 배치된 니게이터 스프링을 구비하는 또 다른 디자인의 개략도이다.
도 12는 인쇄 회로 기판 상에 장착된 복수의 종래 FOT 브러쉬 어셈블리를 보여주는 도면이다.
도 13은 윤활되는 개선 FOT 브러쉬 어셈블리를 로터를 향해 이동하게 가압하도록 배치된 니게이터 스프링을 보여주는 개략도이다.
도 14는 외팔보 스프링 및 디자인이 동일한 2개의 다른 니게이터 스프링에 대한 이동거리 인치(가로 좌표)에 대한 윤활되는 개선 FOT 브러쉬 어셈블리의 마모(세로 좌표)의 플롯이다.
도 15a는 윤활되는 개선 FOT 브러쉬를 외팔보 스프링으로 시험한 후 윤활되는 개선 FOT 브러쉬 상의 마모 패턴을 거의 직각 방향에서 촬영한 사진이다.
도 15b는 도 15a에 도시된 브러쉬의 복합 사진으로, 브러쉬 상에서 마모 패턴의 고 지점과 저 지점을 보여주고 있다.
도 16a는 개선 FOT 브러쉬를 니게이터 스프링으로 시험한 후 윤활되는 개선 FOT 브러쉬 상의 마모 패턴을 사각(oblique angle) 방향에서 촬영한 사진이다.
도 16b는 도 16a에 도시된 브러쉬의 복합 사진으로, 브러쉬 상에서 마모 패턴의 고 지점과 저 지점을 보여주고 있다.

먼저, 복수 개의 도면들에서 일관되게 동일한 구조적 구성요소, 부분 또는 표면들을 나타내기 위해 유사한 참조번호들을 사용하였으며, 명세서 전체에서 구성요소들, 부분들 또는 표면들이 추가로 기재되거나 설명되듯이, 본 출원의 발명의 상세한 설명의 일부분이라는 것을 이해해야 한다. 별 다르게 지시하지 않았다면, 도면들은 명세서에 기재되어 있는 사항과 함께 읽혀져야 하며(예를 들어 크로스 해치, 부품의 배치, 비율, 각도 등), 본 발명의 상세한 설명의 일부분으로 여겨져야 한다. 아래의 명세서에서 사용되듯이, 수평방향, 수직방향, 좌측, 우측, 상향 및 하향이란 용어와, 이들 용어의 형용사적 어구 및 부사적 어구(예컨대 수평방향으로, 우측으로, 상향으로 등)은 단순히 특정 도면이 독자들을 향하는 것을 기준으로 단순히 설명되는 구조의 방향을 나타내는 것이다. 이와 유사하게, 안쪽으로 및 바깥쪽으로라는 용어는 일반적으로 연신축, 또는 회전축에 대한 표면의 방향을 나타내는 것이다.

FOT 브러쉬 디자인은 장수명, 고속의 표면 속도 및 고전류에 대한 사양을 충족하도록 개선되고 있다. 그러나, 최근의 연구는 가혹한 조건에서도 나은 성능을 나타내도록 기존의 FOT 브러쉬 디자인을 개선할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

예를 들어, 정격 면 속도는 동일하지만 로터 직경이 5배 다른 상태에서 작동하는 2개의 전기 접점 시스템을 고려해 보자. 두 시스템의 면속도(즉, V=ωr, 여기서, V는 면속도, ω는 스테이터에 대한 로터의 각속도, r은 로터의 반경임)가 동일하기 위해서는, 로터가 소경인 시스템의 회전 속도는 대경 시스템의 회전 속도보다 5배 커야만 한다.

접점들이 외래 막들의 흡착에 의해 윤활되는 경우, 소경 시스템이 "rpm 효과"로 알려져 있는 현상을 나타낼 수 있음은 이미 알려져 있다[일례로, Pitney, Kenneth E.; Ney Contact Manual: Electical Contacts for Low Energy Uses; Bloomfield: The J.M. Ney Company (1973), 23 페이지 참조]. 외래 막(예컨대 습기) 및 공중 오염물(예컨대 탄화수소)들은 부하가 작은 상태에서 접촉 멤버들 간의 마찰 계수를 줄일 수 있는 물질의 매우 얇은 막이다. "rpm 효과"는 이웃 표면과 만나기 전에 표면 변화를 일으키는 데에 이용될 수 있는 시간에 영향을 준다. (ld.) 경계 윤활이 이루어지는 경우, 대경 로터를 구비하는 시스템에 있어서 로터의 이동 거리 인치의 등가 횟수에 대한 표면적이 증가하기 때문에, 대경 로터를 구비하는 시스템은 다량의 윤활제를 필요로 하게 된다.

일 분석전문가[Rabinowicz, Ernest; "The Temperature Rise at Sliding Electrical Contacts"; Advances in Electrical Current Collection; Ed. I.R. McNab. New York; Elsevier/North-Holland Inc.; (1982), 30 페이지 및 31 페이지]에 따르면, 상기 논문에서 발췌한 사항을 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 다음을 알 수 있다.

"먼저, 저속으로 슬라이딩이 일어나고 마찰에 의해 열이 발생하는 상황을 보면, 슬라이딩 표면들 간에 원형의 접촉이 있다면, 평균 온도 상승 θ는 다음 관계식으로 주어진다.

여기서, J는 열의 일당량(열이 기계적 열 단위로 변환되는 전환계수), r은 접합부의 반경, f는 마찰 계수, L은 접합부에서의 수직 하중, k₁은 물체 1의 열전도도, k₂는 물체 2의 열전도도이고, v는 속도이다.

상기 관계식은 열이 계면에서 유래하고, 그 열은 2개의 인접 물체들 내로 전도되는 것으로 가정한다. 온도 상승이 속도에 비례하는 이유는, 단위 시간 당의 열 발생율 자체가 속도에 비례하기 때문이다.

슬라이딩이 점차 커지게 되면, 상기 관계식은 더 이상 적용될 수 없게 된다. 물체 1이 소형 시편이고, 반면에 물체 2는 확장 표면을 구비하는 가장 간단한 케이스를 상정해 보자. 이 경우, 소형 시편은 대형 시편과 계속해서 접촉하고 있으며, 대형 시편의 새로운 영역을 슬라이딩하게 될 것이다. 이 경우, 온도 상승은 다음 관계식으로 주어진다.

여기서, f, L, v, r, J 및 K₂는 위에서 정의한 바와 같고, p₂c₂는 확장 표면의 부피 비열이다.

상기 관계식은 전의 관계식과 2가지 측면에서 다르다. 먼저, 상부 표면 및 하부 표면이 서로 비대칭이다. 이는 상부 표면은 작고 계속해서 접촉하고 있어 금방 뜨거워지지만, 언제나 새로워지는 하부 표면은 상부 표면에 비해 차갑기 때문에, 근본적으로 모든 열들이 하부 표면 내로 이동하게 되어 열 특성이 매우 중요해 진다.

다음으로, 속도에는 1/2승이 붙게 된다. 이는, 속도를 높일수록 가열 속도가 증가하지만, 하부 소재의 냉각량을 증가시키면, 이 열은 배출될 수 있기 때문이다. 따라서, 온도 상승은 v에 따라 증가하지만, 제1 차승보다는 덜 신속하게 증가하는 것으로 예상하는 것이 논리적이다."

계면이 가열되는 것을 최소화하기 위해서는, 슬라이딩하는 전기 접점들 간의 마찰 계수를 줄이는 것이 중요하다. 상기 선행 분석전문가는 계면에서의 온도가 지나치게 커지면, 소재가 물러지거나 심지어 용융될 수 있으며, 또는 산화가 지나치게 발생할 수 있음을 알고 있었다.

종래의 FOT 브러쉬 디자인 및 소경(예컨대 9 인치) 로터를 사용한 분석 (도 1c 내지 도 1h)

직경이 9인치(0.23m)인 링 상에 실질적으로 일정한 수직력을 제공하기 위해 니게이터 스프링(negator spring)(즉, 주어진 변위 영역에 걸쳐 실질적으로 일정한 수직력이 가해지는 스프링)을 사용하여, 공통 홀더 내에서 복수의 종래의 파이버-온-팁(FOT) 브러쉬를 가지고 예비적 마모 연구를 수행하였다. 접촉점들은 윤활하지 않았다. 수직력은 135 그램이었고, 로터는 스테이터에 대해 상대적으로 약 14.4 m/sec의 각속도로 회전하였다. 원형 브러쉬는 중심부에서 마모되었고, 동시에 브러쉬 소재 일부가 링으로 이동하여 링에 부착되었다. 이것은 브러쉬 마모 패턴과 링 마모 트랙 외관으로부터 결정되었다. 주사전자현미경/에너지 분산 X-레이 분석(SEM/EDAX)이 브러쉬 소재가 링으로 이전하였음을 확인해 주었다.

도 1c는 [0.23m] 링 상의 종래 브러쉬에서 찍은 마모 트랙의 SEM 사진이다. 도 1d는 도 1c에 도시되어 있는 링의 일부분을 확대한 SEM 사진이다. 도 1e는 도 1d에 지시되어 있는 스폿의 EDAX 분석 결과로, 은과 동이 브러쉬로부터 로터로 이동했음을 보여 주고 있다. 도 1f는 도 1c에 도시되어 있는 마모 트랙을 형성하는 3개의 완전-충진된 종래의 브러쉬의 2개의 브러쉬 블록(전방부 및 후방부)에 대한 사진이다. 도 1g는 Ag/Cu 브러쉬의 SEM 사진으로, Ag/Cu 브러쉬 소재에 대한 EDAX 기준으로 제공되어 있다. 도 1h는 Ag/Cu 브러쉬 소재의 EDAX 스펙트럼들이다.

상기 종래의 FOT 구성은 통상적인 금속-그라파이트 복합 브러쉬를 대체하기 위해 개발된 것이다. 3개의 종래의 FOT 어셈블리는 동일한 형상의 금속 베이스 내에 복합 브러쉬로 위치하고 있다. 복수의 종래의 FOT 브러쉬의 목적은 1200 rpm에서 고 전류 밀도를 제공하기 위한 것이다. 이 시험 중에 발생하는 브러쉬 마모는, 계면 온도가 지나치게 높은 경우, 소재들이 용융되거나 연해지며, 또는 산화가 발생한다는 Rabinowitz에 의해 제안된 상태의 클래식한 일 마모 예이다. (ld.)

대경(즉, 55인치) 로터를 사용한 종래의 FOT 및 브러쉬 디자인 연구 (도 2a 내지 도 2i, 및 도 3a 내지 도 3i)

직경이 약 55 인치(1.397m)인 대경 링 상에서, 면속도 약 14.5 m/sec로 마모 연구를 추가로 수행하였다. 로터에 대해 브러쉬를 약 50 그램의 수직력으로 유지하도록 외팔보 스프링을 사용하였다. 브러쉬와 링에 대해 윤활하였다. 이들 연구들도 장시간에 걸쳐 브러쉬 소재가 연해지고 브러쉬 소재가 링으로 이동하기에 충분할 정도로 계면 온도가 높다는 것을 보여주고 있다.

상기 링(즉 링 1)에 대한 링 마모 트랙 외관과 브러쉬 마모 패턴이 도 2a 내지 도 2f에 도시되어 있다. 도 2a는 로터 상에서 링 1의 마모 트랙을 보여주는 SEM 사진이다. 도 2b는 도 2a에서 화살표로 지시되어 있는 마모 트랙의 일부분에 대한 EDAX 분석 결과로, 은과 동이 브러쉬로부터 링으로 이동했음을 보여준다. 도 2c는 브러쉬의 전방부를 거의 직각에서(즉, 실질적으로 브러쉬 및 다발의 종축에 정렬된 방향에서 바라본) 촬영한 것으로, 마모 트랙 상의 마모 패턴을 보여주고 있다. 도 2d는 도 2c에 도시되어 있는 브러쉬의 전방부를 사각(oblique angle)에서 촬영한 다른 사진이다. 도 2e는 브러쉬의 후방부를 거의 직각에서 촬영한 사진이다. 도 2f는 도 2e에 도시되어 있는 브러쉬의 후방부를 사각에서 촬영한 다른 사진이다.

다른 링(즉, 링 2)에 대한 브러쉬 마모 패턴과 링 마모 트랙 외관이 도 3a 내지 도 3i에 도시되어 있다. 도 3a는 로터의 링 2 상의 마모 패턴을 보여주는 SEM 사진이다. 도 3b 내지 3e는 도 3a에 화살표로 지시되어 있는 링 성분에 대한 EDAX 분석 결과로, 은 및 동이 브러쉬로부터 링으로 이동했음을 보여준다. 도 3f는 브러쉬 전방부 상의 마모 트랙을 보여주는 것으로, 거의 직각으로 촬영한 사진이다. 도 3g는 도 3f에 도시되어 있는 브러쉬의 전방부를 사각에서 촬영한 사진이다. 도 3h는 브러쉬의 후방부 상의 마모 패턴을 보여주는 것으로 거의 직각에서 촬영한 사진이다. 도 3i는 도 3h에 도시되어 있는 브러쉬의 후방부를 사각에서 촬영한 사진이다.

중심부가 제거되어 개선된 FOT 브러쉬 (도 4 및 도 5)

계면의 가열로 인해 브러쉬에서 로터로 소재가 이동하는 문제의 해법은 본 출원에서 집중하는 일 영역이다. 동시에 응착마모(adhesive wear) 문제에 대한 해결책이 발견되었고, 귀금속을 사용하지 않아도 됨에 따라 비용을 절감할 수 있는 개선된 접점 디자인이 개발되었다. 또한, 종래의 디자인에 의한 경우보다 패키지하는 데에 4~5배 공간이 덜 필요한, 보다 컴팩트한 브러쉬 및 스프링 구성이 개발되었다. 게다가, 링이 50억 인치(1억2천7백만 m)를 초과하여 이동한 상태에서도 외팔보 스프링의 경우 단지 0.025인치(0.635mm), 니게이터 스프링의 경우 0.010인치(0.254mm)만이 마모되었다. 두 경우 모두 수명이 다한 상태가 아니었다. 니게이터 스프링의 경우, 외팔보 스프링과 같이 브러쉬력이 줄어들지 않기 때문에, 링이 50억~100억 인치만큼 더 이동할 수 있다.

원형 FOT 브러쉬 구성에서, 가장 높은 계면 온도는 브러쉬의 중심부에서 나타날 것으로 예상된다. 그런 이유로, 종래의 FOT 브러쉬 디자인은 브러쉬의 중심부에서 약 50%의 파이버가 제거되도록 변형되었다. 이에 따라, 브러쉬의 단부에서 축방향으로 바라보았을 때, 환상(annular)의 단면을 가지는 개선된 브러쉬 어셈블 리가 얻어졌다. 도 4 참조. 이러한 형상에서, 고리는 2개의 동심의 가상 원들 사이에 획정된다. 그러나, 이 경우가 바람직하기는 하지만, 이것이 불변인 것은 아니다. 다른 환상의 형태 및 구성이 채용될 수도 있다. 개선된 브러쉬 어셈블리는 마찰열을 줄이는 동시에, 접선 컴플라이언스(즉, 스프링률의 역수, 또는 C=x/F, 여기서 C는 접선 컴플라이언스, x는 변위, 그리고 F는 변위를 일으키는 힘)를 증가시킨다. 특히 고속 면속도에서 신호 무결성(signal integrity)이 중요한 경우, 링에서 축방향 런 아웃(팬캐익 형태의 슬립-링) 또는 반경방향 런 아웃(드럼 형태의 슬립-링)이 일어나는 지점에서 전기 접점을 유지하기 위해서는 접선 브러쉬 컴플라이언스가 커야하는 것이 필수이다.

도 5는 브러쉬 접선 컴플라이언스를 측정하는 데에 사용되는 장치 및 상기 브러쉬 디자인의 접선 컴플라이언스를 설명하고 있다. 브러쉬 튜브는 고정구 내에 위치하고 있으며, 브러쉬 축과 수직하게 변위를 일으키기 위해 브러쉬의 원위단부를 향해 힘(F)이 가해지는 것에 주목해야 한다.

브러쉬 중심부에 파이버가 있는 FOT 브러쉬와 중심부에서 파이버가 제거되어 있는 FOT 브러쉬의 접선 컴플라이언스가 도 6에 비교되어 있다. 개선된 FOT 브러쉬 어셈블리의 접선 컴플라이언스가 브러쉬 중심부에서 파이버가 제거된 종래의 FOT 브러쉬 어셈블리의 접선 컴플라이언스보다 실질적으로 크다는 점에 주목해야 한다. 파이버 직경을 줄이거나, 파이버의 자유 길이를 증가시키거나(즉, 튜브의 단부에서 파이버 팁까지의 파이버 길이) 및/또는 브러쉬 어셈블리의 중심부에서의 개구부 직경을 증가시킴으로써, 접선 컴플라이언스가 증가될 수 있다.

복수의 시험에서, 계면 접촉 영역의 온도가, 브러쉬 소재가 연해지거나 용해되며, 링에 응착되는 온도에 도달할 수 있음이 밝혀졌다. 마찰 계수를 줄이는 데에는, 접촉 계면에 연속적으로 윤활제를 적용하는 능력이 중요하다. 전기 점점의 수명을 장기간으로 하는 데에는, 윤활 화학물질(chemistry) 및 윤활 혼합제(formulation)가 주요 요인이다. 다양한 전기 접점 윤활제를 시험하였다. 이들 윤활제는 디에스테르, 플루오로카본, 할로카본, 하이드로카본 및 폴리페닐 에테르를 포함한다.

윤활제를 접점의 계면 영역 내로 연속적으로 흘려주는 윤활제 챔버가 브러쉬 튜브 내에 통합되어 있다(도 7 참조). 저장소로부터 접점 계면으로 윤활제의 유동은 파이버들 간의 단면 틈새 공간을 결정하는 파이버 직경에 의해 조절될 수 있으며, 이에 따라 윤활제가 접점 계면으로 흐르는 단면 영역이 결정된다. 적용되는 분야에 따라, 파이버의 직경은 0.002~0.005 인치(0.0505~0.1270mm) 범위에서 변할 수 있다. 도 8a 내지 도 8b 참조. 도 8a는 다수의 소경 파이버들을 구비하는 개선된 파이버 브러쉬의 원위단부를 나타낸다. 도 8b는 도 8a의 경우보다 수량이 적은 대경 파이버들을 구비하는 개선된 FOT 브러쉬의 원위단부를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b는 파이버 직경이 클수록 파이버들 간의 틈새 공간이 커지는 것을 보여주지만, 그러한 틈새 공간의 수는 파이버 직경이 클수록 적어지는 것도 보여준다.

접점의 계면 영역으로 윤활제가 연속적으로 흘러 들어감으로써, 접점의 계면 영역에서의 산화를 최소화하게 되며, 이에 따라 비-귀금속 소재가 사용될 수 있게 된다. 과거에는 브러쉬 소재로 은 합금 및 금 합금이 사용되었으며, 구리 또는 황동 링 상에 은 또는 금을 전착한 것이 광범위하게 사용되고 있다. 링 상에 전착(electrodeposit)할 때에, 파이버 브러쉬 소재의 선택은 전착되는 소재와 양립되어야만 한다. 그렇지 않으면 브러쉬와 피전착 소재 양쪽에서 너무 이른 마모(premature wear)가 발생하게 된다. 전착되는 소재가 마모되어 기저의 링이 노출된 경우, 링과 브러쉬는 매우 빠른 속도로 마모되어 수명을 다하게 된다는 것을 알아야 한다. 링 상에 전착되는 소재가 사용되지 않는다면, 파이버 소재, 윤활제 및 브러쉬력은 브러쉬 어셈블리의 수명 중에 접촉이 우수해지도록 되어야 한다. 마찰계수를 줄일 뿐만 아니라, 비-귀금속 접촉면 상에서 산화가 최소화되도록 윤활제가 선택되고 혼합될 수 있다. 은 합금, 금 합금, 구리 합금(예컨대, 황동, 베릴륨동, 청동 등)이 파이버 브러쉬에 사용될 수 있으며, 링 소재는 귀금속을 전착하지 않은 구리 및 구리 합금으로 제조될 수 있다. 이들 옵션들은 상당한 비용 절감을 줄이는 기반을 제공한다.

종래의 FOT 브러쉬의 중심부에서 약 50%의 파이버를 제거함으로써, 마찰열이 상당히 감소하고, 도 1c 내지 도 3i에 나타나 있는 응착 마모가 사라진다는 것을 알 수 있었다. 14.4 m/sec의 면속도로 동작하는 9인치(22.86cm) 직경의 로터 상에서의 측정 결과는 개선된 FOT 브러쉬의 전류 밀도 능력이 상당히 개선되는 것을 보여주고 있다. 이러한 연구는, 14.4 m/sec에서 작동할 때에 "rpm 효과"를 나타내는 로터를 가지고 수행되었다. 하나의 테스트 플랫폼과 다른 플랫폼에서의 마찰열과 전기열을 비교해 보면, 이전의 방정식(ld. 31~32쪽)에 또 다른 항(term)을 도입해야 한다.

여기서, i는 접합부에 의해 전달되는 전류이고, R은 전기 저항이다.

이에 따라, 고속에서 작동할 때에, 온도 상승에 영향을 미치는 복합 효과는 다음 식으로 주어진다.

하나의 테스트 플랫폼과 다른 플랫폼에 대해 브러쉬 온도 상승 측정 결과를 비교할 때에는, 복수의 링 파라미터를 고려해야만 한다. 표 1은 개선된 브러쉬에 대한 예비 마모 연구에 사용된 로터에 대한 상관 파라미터와 종래의 브러쉬를 시험하는 데에 사용된 대경 로터에 대한 대응 파라미터를 대비한 결과이다.

두 경우에 있어, 브러쉬의 질량은 로터의 질량에 비해 작고, 이에 따라 브러쉬가 로터와 연속해서 접촉하는 경우 브러쉬가 뜨거워지며, 이런 이유로 열은 브러쉬에서 로터로 흐르게 될 것이다. 따라서, 로터의 열적 특성이 매우 중요하다. 표 1은 로터의 온도를 1℃ 올리기 위해서는, 개선된 FOT 브러쉬를 시험하는 데에 사용한 로터는 3.3 칼로리를 필요로 하는 반면, 종래 브러쉬를 시험하는 데에 사용된 로터는 101 칼로리가 필요하다는 것을 보여주고 있다. 도 9a 및 도 9b는 전류가 증가하는 경우와 속도가 최대 14 m/sec에서 개선된 FOT 브러쉬 디자인과 종래 디자인의 온도 상승을 비교하고 있다. 도 9c는 면속도에 대한 개선된 FOT 브러쉬 디자인과 종래 디자인의 마찰 열을 비교하고 있다. 표 2는 도 9a, 도 9b 및 도 9c로부터 취한 마찰 및 전기 시험 결과를 대비하고 있다.

(표 2의 데이터는 도 9a, 도 9b 및 도 9c로부터 취한 것이다.)

이들 결과를 기초로 해서 보면, 개선된 FOT 브러쉬는 종래의 브러쉬에 비해 마찰열과 전기열을 상당히 덜 발생시키며, 이에 따라 브러쉬의 중심에서 파이버 1000개를 제거하더라도 브러쉬의 성능이 약화되지 않으며, 실제로는 성능이 상당히 개선된다. 이들 결과는 종래 브러쉬에 대한 시험에 있어 계면 온도가 브러쉬 소재가 연해지고 링으로 소재가 이동하기에 충분할 정도로 높아지는 시험 결과와 일치하는 것이다.

외팔보 스프링은 기계적으로 불안정하기 때문에, 사용하기 어려운 것으로 알려져 있다(예컨대, Shobert, Erle; Carbon Brushes: The Physics and Chemistry of Sliding Contacts; Chapter 4, 도 4.7, "Mechanical Considerations in Brushes and Collectors"; (1965); 87 페이지 참조).

"브러쉬가 일 방향으로 이동할 때에 스프링력을 방출하는 방식으로 스프링이 진동한다면, 외팔보 스프링 브러쉬 상에 채터가 발생할 수 있다. *** 이러한 채터는, (1) 브러쉬를 가능하면 짧게 유지하거나; (2) 스프링에 하중이 가해질 때 스프링이 실용적으로 직선이 되도록 설계하거나; (3) 도 4.7b에 도시한 바와 같이 스프링을 테이퍼지게 함으로써 최소화할 수 있다. 테이퍼는 공명 진동을 위해 고유 주기가 이용될 가능성을 줄여준다."

상기 문헌에 기재되어 있는 참고 도면이 도 9d로 발췌되어 있다.

또한, 외팔보 스프링은 브러쉬 마모(x)에 따라 브러쉬력(F)이 감소한다는 문제를 갖고 있으며, 궁극적으로는 브러쉬의 수명이 모든 전기적 사양을 만족시키는 데에 필요로 하는 최소 수직력에 의해 제한되게 된다. 만약 적당한 브러쉬력이 없게 되면, 신호 브러쉬가 인용가능한 전기적 노이즈 레벨에서 작동되지 않으며, 파워 브러쉬는 전기 아크를 겪을 수도 있게 된다. 이는 브러쉬가 링 이동 인치가 수십 억이 되도록 하는 데에 주요 인자가 된다. 니게이터 스프링은 브러쉬의 수명 전체에 걸쳐 주어진 변위 영역에서 실질적으로 일정한 힘을 유지하며, 이에 따라 브러쉬의 수명이 브러쉬 마모에 따른 힘의 감소에 의해 제한되지 않는다. 또한, 니게이터 스프링은 고유의 감쇠 기구(inherent dampening mechanism)를 제공하며, 이에 따라 스프링 채터가 발생하지 않게 된다.

니게이터 스프링을 구비하는 FOT 브러쉬 디자인

통상적으로, 니게이터 스프링은 전기 전도성이 그다지 좋지 않은 스테인리스강과 같은 소재로 제작된다. 이러한 이유로, 복합체 브러쉬에 대한 전기 접속부는 브레이디드 리드 및 션트로 제조된다. 도 10 참조. 니게이터 스프링이 복합체 브러쉬와 함께 사용되는 경우, 니게이터 스프링를 사용하는 주된 목적은 브러쉬의 광범위한 변위 영역에 걸쳐 일정한 힘을 제공하기 위한 것이다. 복합체 브러쉬가 0.20~0.30인치(5.08~7.62mm)(마모에 기계적 런아웃을 더한 값)만큼 마모된 경우, 수직력은 일정하게 유지될 것이다. FOT 브러쉬에 복수의 니게이터 스프링 디자인이 구비된 것이 도 11a 내지 도 11d에 도시되어 있다. 도 11a는 윤활제 저장소 뿐만 아니라 전기 접속 수단을 제공하는 공통의 금속 홀더 내의 복수의 FOT 브러쉬를 보여주는 도면이다. 각각의 브러쉬는 도 7에 도시되어 있는 디자인과 동일하다. 복수의 FOT 브러쉬는 고 전류 밀도 사양에 부합되도록 제공되어 있다. 도 11b는 전기 접속부 및 윤활제 저장소를 구성하는 다른 수단을 도시하고 있다. 도 11c는 외팔보 스프링과 니게이터 스프링을 구비하는 하이브리드 디자인으로, 전기적 전도성이며 윤활제 저장소를 포함하고 있다. 도 11d는 니게이터 스프링과 윤활제 저장소를 구비하는 장치에 대한 또 다른 디자인이다.

FOT 브러쉬 회로 기판 디자인

도 12는 외팔보 스프링이 장착된 복수의 종래의 FOT 브러쉬가 구비된 인쇄회로기판의 사진이다. 도시되어 있는 기판의 폭과 길이는 약 3.75×13인치이다(9.525×33.02cm).

도 13에 도시되어 있는 니게이터 스프링 디자인용 인쇄회로기판은 외팔보 스프링의 경우보다 4~5배 작을 수 있다. 패키징을 위한 공간이 제한되는 경우, 이는 주된 인자가 될 수 있다.

개선된 FOT 수명 시험

고 접선 컴플라이언스 FOT 브러쉬의 성능을 확인하기 위해 장수명 시험을 수행하였다. 외팔보 스프링 및 니게이터 스프링을 가지고 시험을 수행하였다. 도 14 및 표 3은 이들 시험에 대한 데이터의 모음이다.

도 15a, 도 15b 및 도 16a, 도 16b는 각각 외팔보 스프링과 니게이터 스프링의 경우에 있어서, 링이 4.22×10⁹ 및 5.5×10⁹인치(10.7188×10⁹ 및 13.97×10⁹cm) 이동한 후, 고 컴플라이언스 브러쉬의 상태를 보여주고 있다. 상기의 이동거리를 링이 이동한 후에도 브러쉬들은 상당히 우수한 형상을 유지하고 있다는 점, 즉 총 마모량이 매우 작고, 응착 마모 기구에 의해 브러쉬 소재가 탈락된 증거가 없음에 주목해야 한다. 도 15b 및 도 16b는 각각 도 15a 및 도 16a에 도시되어 있는 브러쉬의 측면도이다. 니게이터 스프링으로 시험한 브러쉬의 상태를 기초로 하면, 이들 시험은 50억 내지 100억 인치(127억 내지 254억 cm)로 확장될 수 있음을 알아야 한다. 이는 계면 접촉 영역에 윤활제를 연속적으로 제공하는 능력과 사용 수명 기간에 일정한 힘과 브러쉬의 진동 감쇠를 제공하는 니게이터 스프링의 능력에 의해 가능하게 될 것이다.

태양전지판 구동장치, 비행기 및 미사일 유도 플랫폼, 풍력에너지 시스템, CT 스캔 시스템 등과 같은 다양한 국방 및 상업 분야에서 브러쉬와 슬립-링에 대해 요구하는 사양을 만족시키기 위해, 개선된 FOT 브러쉬 디자인의 파라미터들이 조합될 수 있다. 개선된 FOT 브러쉬 디자인(들)의 디자인 파라미터들과, 이들의 효과(들)가 표 4에 요약되어 있다.

개선된 FOT 브러쉬 디자인 파라미터	파라미터가 슬립-링 디자인과 성능에 미치는 영향
브러쉬 센터 제거	접점 계면 온도가 감소되어 브러쉬 수명이 크게 증가함. 브러쉬 컴플라이언스가 변화될 수 있음
브러쉬 자유 길이 조절	브러쉬 컴플라이언스가 변화될 수 있음
브러쉬 파이버 직경 변화	브러쉬 컴플라이언스가 변화될 수 있음 접점 계면에 제공되는 윤활제의 유속이 변화될 수 있음
윤활제 저장소	브러쉬 수명에 걸쳐 윤활제가 제공됨에 따라 브러쉬 수명이 늘어남
윤활제 화학물질	면속도 및 온도가 가혹한 상태에서 브러쉬 수명을 늘릴 수 있는 다양한 윤활제와 첨가제가 사용될 수 있음
니게이터 스프링	브러쉬 수명에 걸쳐 일정한 힘이 가해짐 접점 진동을 감쇠하고 브러쉬가 링과의 전기 접점이 브레이킹 되지 않도록 함
외팔보 스프링	브러쉬 스프링 컴플라이언스가 조절될 수 있음
상기 모든 파랍미터들의 조합	은 합금, 금 합금 및 동 합금(예컨대, 황동, 베릴륨동, 청동 등)을 포함하는 링 소재와 브러쉬 소재를 폭 넓게 사용하는 가혹한 조건 하에서, 광범위한 사용 분야에 개선된 FOT 브러쉬 기술이 적용될 수 있음

변형

본 발명에 대해서는 많은 변경과 변형이 이루어질 수도 있다.

예를 들어, 고리(annulus)가 2개의 동심원들 사이에 형성될 수 있다. 선택적으로, 고리는 또 다른 기하학적 형상과 구성으로 형성될 수 있다. 브러쉬 소재도 소망하는 바에 따라 변경될 수 있다. 전술한 종류 외에 다른 윤활제가 사용될 수 있다. 윤활제는 디에스테르, 플루오로카본, 할로카본, 하이드로카본 및 폴리페닐 에테르 또는 다른 종류일 수도 있다. 윤활제 저장소는 브러쉬를 수용하고 윤활제를 저장 및 배출하기 위해 복수의 구성을 구비할 수 있다. 윤활제 저장소는 다양한 다수의 전기 접속부를 허용한다. 일부의 다양한 전기 접속부들(이것들이 전부가 아니지만)에 대해서는 예컨대 도 10 내지 도 11d를 참조하라. 윤활제 저장소의 용적과 능력은 변화 내지는 변경될 수 있다. 저장소에는 소망하는 바에 따라 항상 윤활제가 재충진될 수 있다.

위에서 기술한 바와 같이, 은 합금, 금 합금 및 동 합금(예컨대 황동, 베릴륨동, 구리, 청동 등)이 파이버 브러쉬에 사용될 수 있다. 다른 종류의 소재들도 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 링 소재는 구리 및 구리 합금으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 링 소재들도 사용될 수 있다.

개선된 슬립-링의 독특한 특징은, 계면 접촉 영역에 윤활제가 지속해서 공급된다면, 링 상에 전착하지 않고서도 사용될 수 있다는 것이다.

니게이터 스프링은 광범위의 브러쉬력을 제공할 수 있고, 브러쉬 어셈블리의 수명 기간 중에 일정한 힘을 제공할 수 있으며, 브러쉬 진동을 감쇠시킬 수 있는 능력을 제공한다.

따라서, 본 발명은 슬립-링에 대해 개선된 전기 접점을 제공하면서도, 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 통상의 기술자라면 특허청구범위에 정의되어 차별화되어 있는 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서도 많은 변경 및 변형을 가할 수 있다는 점을 쉽게 이해할 것이다.

Claims

스터이터와 로터 간에 전기 접점을 제공하는 슬립-링으로, 상기 슬립-링은 상기 로터 및 스테이터 중 어느 하나 위에 장착되는 브러쉬 튜브를 구비하며, 복수의 개별 파이버들로 이루어진 파이버 다발을 구비하는 브러쉬 어셈블리를 포함하고, 파이버들의 일 가장자리 단부는 상기 브러쉬 튜브 내에 수용되어 있고, 상기 파이버들의 타 가장자리 단부는 상기 브러쉬 튜브를 지나 상기 로터 및 스테이터 중 다른 하나를 향해 연장하는, 슬립-링에 있어서,
상기 로터 및 스테이터 중 다른 하나를 향해 상기 브러쉬 튜브의 아래쪽에서 연장하는 파이버들이 고리 형상이 되도록, 상기 브러쉬 튜브의 아래쪽에 있는 파이버들의 중심부가 제거되며,
상기 로터와 상기 스테이터 간의 상대 회전 속도가, 상기 파이버들의 재료의 상기 로터 및 스테이터 중 다른 하나에의 부착을 발생시키지 않으면서 증가될 수 있도록, 상기 고리 모양으로 된 파이버들의 팁들과 상기 로터 간의 접점 계면이 감소되고,
상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 중심부가 제거되지 않은 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스보다 2배 큰 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 파이버들의 직경, 상기 브러쉬 튜브의 단부로부터 상기 파이버들의 팁을 향하는 상기 파이버들의 자유 길이, 및 상기 중심부의 면적의 함수로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 브러쉬 튜브의 일부분은, 그 내부에 수용되어 있는 상기 파이버들의 일 가장자리 단부를 고정시키기 위해 크림프 또는 스웨이지 되어 있는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 로터와의 접속 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는, 상기 중심부가 제거되어 있지 않은 경우의 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스보다 2~1/2배 큰 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 파이버 다발은 2000개의 개별 파이버를 구비하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제5항에 있어서,
상기 중심부는 1000개의 파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 중심부는 상기 파이버 다발 내의 파이버 수량의 절반의 파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 고리의 반경방향 두께는 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 파이버들의 직경은 0.002 내지 0.005 인치 범위에 속하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제9항에 있어서,
상기 파이버의 직경은 0.003 인치인 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 튜브를 지나 상기 로터를 향해 연장하는 상기 파이버들의 길이는 0.3 내지 0.7 인치 범위에 속하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제11항에 있어서,
상기 튜브를 지나 상기 로터를 향해 연장하는 상기 파이버들의 길이는 0.40 인치인 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 중심부의 횡단면 면적은 상기 파이버 다발의 횡단면 면적의 2/3보다 큰 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 0.006350 인치/그램인 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제14항에 있어서,
상기 로터와 접속하는 지점에서, 상기 중심부가 제거되지 않은 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 0.00139 인치/그램인 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스는 상기 중심부가 제거되지 않은 경우의 상기 로터와 접속하는 지점에서 상기 파이버 다발의 접선 컴플라이언스의 4.5배보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 파이버 다발과 유체 연통하며, 상기 브러쉬 튜브 위에 위치하는 저장소; 및
상기 저장소 내의 윤활제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제17항에 있어서,
상기 윤활제는 디에스테르, 플루오로카본, 할로카본, 하이드로카본 및 폴리페닐 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제17항에 있어서,
상기 저장소는 상기 파이버들 간의 공간을 관통하여 상기 파이버 다발과 유체 연통하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제19항에 있어서,
상기 공간을 관통하는 윤활제 유동은 상기 공간들의 크기의 함수인 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 로터를 향해 이동하도록 상기 파이버 다발을 가압하는 탄성 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제21항에 있어서,
상기 파이버 다발이 실질적으로 일정한 힘으로 상기 로터를 향해 이동하도록 가압되는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제21항에 있어서,
상기 탄성 수단은 니게이터 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제21항에 있어서,
상기 탄성 수단은 외팔보 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 로터 및 스테이터 중 다른 하나는 전착 소재를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.
제1항에 있어서,
상기 파이버들은 은 합금, 금 합금 및 구리 합금 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 개선된 슬립-링.