具有低摩擦接触部件的电气设备 |
|||||||
| 申请号 | CN201580022340.7 | 申请日 | 2015-04-24 | 公开(公告)号 | CN106463225A | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | ABB瑞士股份有限公司; | 发明人 | H·卡斯滕森; B·乔尔瓦森; M·沃尔夫; V·卡帕克里斯; | ||||
| 摘要 | 本公开内容涉及一种电气设备(1；1’)，其包括： 电极 装置(2)，其包括磁体(3)和电极(5)；导电可移动设备(7)，其可相对于电极装置(2)移动并且与电极装置(2)间隔开，由此间隙(G)被形成在其之间；以及 悬挂装置 (9)，其包括液体(9a)、分散在液体(9a)中的多个 磁性 颗粒(9b)和分散在液体(9a)中的多个非磁性导电颗粒(9c)，该非磁性导电颗粒(9c)具有比磁性颗粒(9b)更高的导电率，其中悬挂装置(9)在间隙(G)中的电可移动设备(7)与电极装置(2)之间延伸，并且其中磁体(3)被布置为提供通过悬挂装置(9)的 磁场 ，以由此将在电极装置(2)与导电可移动设备(7)之间的非磁性导电颗粒(9c)对齐，从而获得在电极装置(2)与导电可移动设备(7)之间的电气连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电气设备(1；1’)，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 具有低摩擦接触部件的电气设备技术领域背景技术[0002] 诸如电机的电气设备可以包括导电可旋转设备，例如换向器或滑环，其连接到被布置在定子内部的转子的转子绕组。例如，换向器当旋转时与电刷机械接触，从而使得电流能够通过换向器流动到转子绕组。电刷通常由碳制成，有时具有被分散在碳中的铜颗粒以提高导电性。由于机械摩擦，电刷最终被磨损，并且由于磨损从电刷变得松散的导电颗粒可以分散在定子内部，从而增大使电气设备短路的风险。因此，将从至少两个方面期望减少电刷的机械磨损。 [0003] WO2004/088695公开了一种制作或破坏在例如电机中的两个电极之间的电气接触以替换换向器电刷的设备。该设备包括被分散在两个电极之间的介电液体中的磁性纳米结构，以及用于控制磁性纳米结构的移动的可控制磁场装置。磁性纳米结构可以因此取决于磁场而被对齐，以便提供在两个电极之间的电流流动。 [0004] 然而，磁性纳米结构不是理想的电导体。 [0005] 尽管WO2004/088695公开了磁性纳米结构可以包括导电涂层，纳米结构的涂层工艺可能难以控制以获得最佳涂层厚度。另外，存在由于磁性纳米颗粒的相对硬度的每对纳米颗粒之间的接触电阻，以及由于纳米颗粒的小尺寸的大量接触电阻，导致重大损耗。发明内容 [0006] 鉴于上文，因此本公开的目标是要提供一种解决或至少缓解现有技术的问题的电气设备。 [0007] 因此，提供了一种电气设备，其包括：电极装置，其包括磁体和电极；导电可移动设备，其可相对于电极装置移动并且与电极布置间隔开，因而间隙被形成在其之间；以及悬挂装置，其包括液体、被分散在液体中的多个磁性颗粒和被分散在液体中的多个非磁性导电颗粒，该非磁性导电颗粒具有比磁性颗粒更高的导电率，其中悬挂装置在间隙中的电可移动设备与电极装置之间延伸，并且其中磁体被布置为通过悬挂装置提供磁场以由此将在电极装置与导电可移动设备之间的非磁性导电颗粒对齐从而获得在电极布置与导电可移动设备之间的电气连接。 [0008] 非磁性导电颗粒的有效磁性行为被改变，因为它们替代特定体积中的液体和磁性颗粒的混合物。该效果能够被视为类似于阿基米德原理。非磁性导电颗粒是具有负磁化率的抗磁性颗粒。非磁性导电颗粒的有效磁化率被定义为非磁性导电颗粒的磁化率减去在非磁性导电颗粒的容积内的包括分散的磁性颗粒的替代液体的磁化率。借助于非磁性导电颗粒的磁化率的这种改变，它们可以当经受外部磁场时总计表现如悬挂装置中的磁性颗粒。非磁性导电颗粒可以处在外部磁场中，由此被对齐在电极装置与导电可移动设备之间。该对齐使得电流能够经由非磁性导电颗粒通过悬挂装置在电极装置(尤其是电极)与导电可移动设备之间流动。 [0009] 与利用机械连接以将电流从电极发送到导电可移动设备的现有技术解决方案相比较，可以显著减少摩擦和磨损。另外，与WO2004/088695相比，可以提供更低损耗的电流传导。 [0010] 液体中的磁性颗粒的浓度是确定非磁性导电颗粒的磁性属性的一个参数。确定非磁性导电颗粒的磁性属性的另一参数是磁性颗粒的磁矩。确定非磁性导电颗粒的磁性属性的第三参数是磁场强度。因此，例如，针对特定磁场强度，相同的有效的磁化率可以通过将磁性颗粒的数量减少一半并选择具有两倍磁矩的磁性颗粒来获得。根据另一示例，给定效果可以在每个磁性颗粒的磁矩被增加2倍时在磁场强度的一半处获得。 [0011] 根据一个实施例，磁性颗粒在尺寸上比非磁性导电颗粒小。 [0012] 根据一个实施例，磁性颗粒在尺寸上比非磁性导电颗粒小至少一数量级。 [0013] 根据一个实施例，非磁性导电颗粒是微米大小的。借助于微米大小的非磁性颗粒，将获得在每对非磁性颗粒之间的接触处产生的更少的接触电阻，其导致减少的损耗。 [0014] 根据一个实施例，非磁性导电颗粒由铜、银、金、铝和导电陶瓷的组中的一种制成。示例的导电材料比例如铁磁材料柔软，这使得非磁性导电颗粒变形使得在相邻的非磁性导电颗粒之间的接触的表面当被布置在有序晶格中时增大。接触电阻率可以因此被进一步减小。 [0015] 根据一个实施例，液体是油或水。油是无腐蚀性的并且通常具有低粘度，其减少在电气设备的固定部分与旋转部分之间的摩擦，即减少在电极与导电可移动设备之间的摩擦。总体上，任何低粘度的液体，优选无腐蚀性的液体可以被用作用于悬挂的液体基底。 [0016] 根据一个实施例，磁性颗粒是纳米大小的。 [0017] 根据一个实施例，液体和磁性颗粒形成铁磁流体。 [0018] 根据一个实施例，悬挂装置具有为非零的磁化率。与关于非磁性导电颗粒的磁性属性的先前讨论相似，悬挂装置的磁化率可以变化，因此存在确定非磁性导电颗粒的性能的多个参数。如果例如悬挂装置的磁化率例如通过稀释或通过利用其他类型的磁性颗粒被减少为其原始值的一半，并且被施加到悬挂装置的电场被加倍，则将获得相同的效果。 [0019] 一个实施例包括包围导电可移动设备和悬挂装置的容器。 [0020] 根据一个实施例，导电可移动设备是导电可旋转设备。 [0021] 根据一个实施例，导电可移动设备是滑环。 [0022] 根据一个实施例，电气设备是感应电机。 [0023] 根据一个实施例，导电可移动设备是换向器。 [0024] 根据一个实施例，电气设备是DC电机。 [0025] 一般地，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在技术领域中的普通意义来理解，除非本文另外明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、单元、等等”的所有引用应当被开放式地理解为指代元件、装置、组件、单元、等等的至少一个实例，除非另外明确陈述。附图说明 [0026] 现在将参考附图通过举例的方式来描述本发明构思的具体实施例，在附图中： [0027] 图1a示意性地描绘电气设备的横截面视图的第一示例； [0028] 图1b示意性地描绘电气设备的横截面视图的第一示例；以及 [0029] 图2示意性地描绘在电气设备的电极与导电可移动设备之间延伸的悬挂装置的放大视图。 具体实施方式[0030] 现在将在后文中参考附图更完整地描述本发明构思，其中示出了例示实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实现并且不应当被理解为限于本文阐述的实施例；相反，这些实施例通过举例的方式来提供使得本公开内容将是透彻的且完整的，并且将本发明构思的范围完整地传达给本领域技术人员。类似的附图标记在说明书中指代类似的元件。 [0031] 图1a示意性地示出电气设备1的示例。电气设备可以例如为诸如DC电机或滑环式电机的电机。电气设备1的许多部件，例如在电气设备1是电机的情况下的定子和转子未被示出以便维持清晰图示并且促进对该呈现的理解。 [0032] 电气设备1包括：电极装置2，其包括磁体3、电极5；以及导电可移动设备7，其可相对于电极5移动。电极5可经由电导体5a连接到电源。磁体3可以是永久性磁体或电磁体，并且相对于电极5是固定的。电极装置2被布置为距导电可移动设备7一定距离，因而间隙G被形成在电极装置2与导电可移动设备7之间。根据图la中的示例，间隙G被形成在电极5与导电可移动设备7之间。 [0033] 导电可移动设备7是根据图1中的示例的被布置为绕纵向地延伸通过导电可移动设备7的中心的旋转轴旋转的导电可旋转设备。具体地，导电可移动设备7可相对于电极装置2旋转。导电可移动设备7是旋转对称的，根据一个变型优选为基本上圆柱形的。导电可移动设备7可以例如被布置为将电流发送到转子的绕组。导电可移动设备7可以例如由金属制成，例如由铜制成和/或包括定义它的外部表面的导电合金。导电可移动设备7可以例如为DC电机的换向器或滑环电机的滑环。根据另一变型，电气设备可以是线性电机，其中导电可移动设备被布置为利用相对于电极装置的线性运动移动。 [0034] 电气设备1包括悬挂装置9，其包括液体9a、被分散在液体9a中的多个磁性颗粒9b和被分散在液体9a中的多个非磁性导电颗粒9c。悬挂装置9可以根据一个变型具有为非零的磁化率。根据一个变型，磁性颗粒9b在尺寸上比非磁性导电颗粒9c小。具体地，非磁性导电颗粒9c在尺寸上比磁性颗粒9b大至少一数量级。为此，任何非磁性导电颗粒9c的直径可以比任何磁性颗粒9b的直径大至少一数量级。非磁性导电颗粒9c可以是微米大小的并且磁性颗粒9b可以是纳米大小的。磁性颗粒9b可以例如具有在0.1纳米到800纳米的范围中的直径。磁性颗粒应当优选足够小以避免当被浸没在液体中时由于重力的沉降。这样的磁性颗粒可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、电解、溶胶技术或通过反向胶束胶体反应来合成。非磁性导电颗粒9c可以例如具有在1微米到100微米的范围中的直径。 [0035] 磁性颗粒9b可以例如包括以下中的一个：铁磁材料，例如金属(如镍、铁、钴)、诸如钕和钐的稀土金属或磁性金属氧化物、氮、碳化物或硼化物。根据一个变型，非磁性导电颗粒9c包括抗磁性材料，例如银、铜、金、铝或诸如氮化钛的导电陶瓷颗粒。 [0036] 非磁性导电颗粒9c具有大于铁磁材料的导电率的导电率，以及比磁性颗粒9b高的导电率。非磁性导电颗粒9c在室温(即在20℃)具有大于1.00*107S/m的导电率，优选具有大于1.40*107S/m的导电率。 [0037] 液体9a优选是无腐蚀性的并且具有低粘度，例如不比在悬挂装置9的操作的温度水的粘度高的低粘度。根据一个实施例，液体9a可以是油，例如变压器油或水。液体9a和磁性颗粒9b可以根据一个变型形成铁磁流体。铁磁流体是具有分散的磁性纳米颗粒的液体。颗粒如此小使得布朗运动防止它们甚至在强磁场中凝聚。 [0038] 根据图la中的示例，悬挂装置9与间隙G中的电极5和导电可移动设备7物理接触，并且在间隙G中的电极5和导电可移动设备7之间延伸。磁体3被布置为在电极5和导电可移动设备7之间的提供通过悬挂装置9的磁场H。磁体3被定位为使得一些磁场线与电极5和导电可移动设备7两者交叉。非磁性导电颗粒9c由此沿在电极5和电可移动设备7之间的磁场线对齐。因此可以获得在导电可移动设备7和电源之间的闭合电路，使得电流在电极5和导电可移动设备7之间流动。 [0039] 根据图1a中示出的示例，电极被布置在磁体3和悬挂装置9之间。悬挂装置9因此不与磁体机械接触。根据另一变型，悬挂装置能够被布置在磁体和导电可移动设备之间并且与磁体和导电可移动设备机械接触，并且电极能够被布置为与磁体机械接触但是不与悬挂装置机械接触。电流能够由此从电极流动到悬挂装置并且因此通过磁体流动到导电可移动设备。 [0040] 如图la所示，悬挂装置9能够被布置在仅仅由间隙G限定的空间中。这能够例如通过将悬挂装置施加到电极5上来获得。利用足够的磁场强度，磁体3将能够保持在导电可移动设备7和磁体3之间的悬挂装置。 [0041] 图lb示出了电气设备的另一示例。电气设备1'基本上与电气设备1相同，除了电气设备1'包括包围导电可移动设备7和悬挂装置9的容器11。导电可移动设备7可以因此被浸没在悬挂装置9中。具体地，悬挂装置9被布置在电极5和导电可移动设备7之间。以与如以上所描述的相同的方式，磁体3被布置为在电极5和导电可移动设备7之间提供通过悬挂装置9的磁场，使得非磁性导电颗粒9c沿磁场线对齐并且实现在电极5和导电可移动设备7之间的电流传输。电气设备1'还可以包括用于将悬挂装置9密封在容器11内的密封布置。 [0042] 现在将参考图2更详细地描述在图1a-b中呈现的电气设备1、1'的部件的共同作用。应当指出，磁性颗粒9b、非磁性导电颗粒9c和在电极5和导电可移动设备7之间的距离不是按比例绘制的。未示出在图2中的可以为永久性磁体或电磁体的磁体3提供通过悬挂装置9的外部磁场H。由于具有延伸通过在磁体3和导电可移动设备7之间的整个间隙G的磁场线 12的磁场H，非磁性导电颗粒9c与磁场线12平行地对齐，因此形成导电路径。非磁性导电颗粒9c因此在径向方向上在整个间隙G中被对齐。由于它们传导电流的能力，电流I可以通过在电极5和导电可移动设备7之间的悬挂装置9流动。由于它们相对于磁性颗粒9b是比较大而柔软的，所以可以减少接触电阻。此外，由于它们的更高的导电率，还可以减少损耗。 [0043] 在利用电磁体的变型中，当在径向方向上施加通过悬挂装置的磁场时，可以利用由非磁性导电颗粒提供的电流路径获得液体开关。当电磁体被断电时，电流路径消失并且没有电流能够从电极流动到导电可移动设备。 [0044] 根据一个变型，悬挂装置包括三个组件，即液体、被分散在液体中的磁性颗粒和被分散在液体中的非磁性导电颗粒。 [0045] 本文中呈现的电气设备提供在固定部件与可移动部件之间的更有效的低摩擦电气接触。电气设备可以有益地被用于低电压和中电压应用中，例如在诸如DC电机和包括滑环的感应电机(例如滑环式电机)的电机中。 [0046] 以上已经主要参考几个示例描述了本发明构思。然而，如容易由本领域技术人员认识到的，除了以上公开的实施例之外的其他实施例在如由随附权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈