[0001] 本
发明涉及用于将电流从机器的
转子部分特别地用轴实现的转子部分释放到机器的
定子部分中的放电装置,并且涉及包括放电装置的机器,该放电装置包括
接触元件、支承件和
弹簧机构,支承件能够以导电的方式连接至定子部分,接触元件主要由
碳制成,接触元件以轴向可移动的方式容纳在支承件上并且以导电的方式连接至支承件,借助于弹簧机构能够将接触
力施加至接触元件以在接触元件的滑动接触表面与轴的轴向轴接触表面之间建立导电的滑动接触,所述滑动接触表面用于建立滑动接触。
[0002] 上述种类的放电装置在与
现有技术不同的实施方式中已知。特别地,已知使用碳刷来释放低频直流电流,所述碳刷围绕轴以径向分布布置在滑动环上,并且经由连接绞线电连接至定子。由于碳刷的低
电阻,容纳在支承件或刷保持件中的碳刷允许直接释放电流,因此可以避免穿过轴的
轴承点的不期望的电流路径,不期望的电流路径可能会由于焊点而对轴承体或轴承环造成表面损坏。
[0003] 术语“轴(shaft)”同义地用于术语“转子部分”或“轴(axle)”。因此,术语“轴”是指所有旋转的机器部分,通过它们可以将电流释放到机器的固定定子部分或机器部分中。
[0004] 放电装置也经常用在其中交流电流或操作电流可能流过轮轴的
铁路技术中。例如,DE 10 2010 039 847 A1公开了一种放电装置,在该放电装置中,导电端盖安装在一对轮的轴或轮轴的轴向端上,并且可以与由刷保持件支承并沿轴向方向相对于轴布置的多个碳刷接触。每个碳刷经由绞线直接连接至接地线缆,并且弹簧用于将接触力施加在碳刷的滑动接触表面上。
[0005] 通常在
电机中例如在
机动车辆中需要类似的用于释放电流的措施。在
马达
驱动轴或所连接的
齿轮轴或其他功能部件中,可能会出现连续
波动的交流
电压或电流以及高频电流脉冲,这也可能损坏转子轴或齿轮轴的轴承点,这就是为什么通常需要放电装置的原因。然而,已知的放电装置具有设计上需要大量安装空间的缺点。虽然已知使用
纤维或金属丝网代替碳刷的解决方案,但是因为滑动接触的接触表面非常小,所以纤维和金属丝网具有高的过渡电阻,并且只能释放小电流。然而,为了与轴形成大的接触表面,需要多个碳刷,因为它们的布置方式,每个碳刷需要具有相对大的安装空间的刷保持件并且需要相应的安装工作。
[0006] 因此,本发明的目的是提出一种具有低的过渡电阻并且易于安装同时需要很小的安装空间的放电装置。
[0007] 所述目的通过具有
权利要求1的特征的放电装置和具有权利要求23的特征的机器来实现。
[0008] 根据本发明的用于将电流从机器的转子部分特别地用轴实现的转子部分释放到机器的定子部分中的放电装置包括接触元件、支承件和弹簧机构,支承件能够以导电的方式连接至定子部分,接触元件主要由碳制成,接触元件以轴向可移动的方式容纳在支承件上并且以导电的方式连接至支承件,借助于弹簧机构能够将接触力施加至接触元件以在接触元件的滑动接触表面与轴的轴向轴接触表面之间建立导电的滑动接触,所述滑动接触表面用于建立滑动接触,其中,接触元件是盘状的,滑动接触表面至少是环形的,优选地是圆形的,并且能够相对于轴接触表面同轴地布置,支承件具有
基板,弹簧元件布置在基板与接触元件的接触压力侧之间,所述接触压力侧背对着具有滑动接触表面的接触表面侧。
[0009] 因此,放电装置被配置成安装在机器的旋
转轴或轴上。放电装置可以布置在轴的轴向端上,并且可以通过在轴的轴向轴接触表面与接触元件之间建立接触来建立导电的滑动接触,轴向轴接触表面在轴的轴向端或轴的端面处。借助于弹簧机构,则可以将沿轴的
旋转轴方向轴向地作用的接触力施加至接触元件,从而使接触元件的滑动接触表面压靠在轴接触表面上。由于接触元件是盘状的,即以盘或板的形状来实现,所以与常规的接触带相比,可以节省安装空间,这是因为接触元件相对于其轴向方向相对短或薄。此外,接触元件的盘形状或板形状允许接触元件被实现为具有至少环形的滑动接触表面,该滑动接触表面则可以相对于轴接触表面同轴地布置。滑动接触表面的圆形形状是轴或轴接触表面旋转的结果。因此,可以实现相对大的滑动接触表面,该滑动接触表面允许建立低过渡电阻的滑动接触。然而,也可以选择接触元件的盘形状或板形状,使得接触元件的轮廓突出超过滑动接触表面。因此,接触元件也可以是多边形的并且仍然具有圆形的滑动接触表面。由于滑动接触的
磨料磨损相对于大的滑动接触表面而减小,因此接触元件也可以是盘状的或薄的,而基本上不会比从现有技术中已知的具有较小的滑动接触表面和较大长度的接触元件更快地磨损。此外,由于单个盘状的接触元件可以建立足够大的滑动接触,所以不再需要为了实现低的过渡电阻而在轴上安装多个接触元件。因此,放电装置需要很小的安装空间并且也易于安装。
[0010] 根据本发明的支承件具有基板,弹簧元件布置在基板与接触元件的接触压力侧之间,所述接触压力侧背对着具有滑动接触表面的接触表面侧。因此,弹簧元件简单地布置在基板与接触元件之间。在放电装置的特别简单的实施方式中,放电装置可以由不超过三个部件组成,这些部件可以彼此插入。这使得放电装置的组装特别简单。如果弹簧机构或弹簧元件是特别扁平的弹簧,诸如盘簧,则可以更进一步减小放电装置的安装空间。基板可以简单地借助于
螺纹连接、插入连接或胶合连接附接至机器的定子部分。基板的导电连接也可以通过到定子部分的所述连接或者也可以通过接地线缆到基板的直接连接来实现。
[0011] 盘状的接触元件的外径或最大外部尺寸可以是接触元件的厚度的倍数。接触元件的外部尺寸/厚度比可以是2:1、3:1、4:1、5:1或10:1。
[0012] 例如,接触元件相对于轴的轴向端的滑动接触表面或端面可以具有如下大小,该大小使得接触元件在其径向尺寸方面突出超过轴在轴向端处的直径。此外,滑动接触表面也可以呈完整圆形的形式。接触元件可以被配置成使得其径向大小接近于或对应于轴的轴向端的直径,因为这允许形成特别大的滑动接触。
[0013] 接触元件可以一件式地来实现并且主要由碳组成。例如,接触元件可以是通过压制和
煅烧或
烧结制造的碳模具。接触元件可以由
石墨、碳黑、
碳纤维或这些材料的混合物组成,并且可以包含金属铁、镍、锰、
铜、锌、
银、
铝和/或铬的颗粒以及粘结剂或粘结相。
[0014] 支承件可以由金属组成,优选地由
钢、铝、铜或这些材料的
合金组成。在这种情况下,可以容易地通过例如注塑模制或通过对由这些材料制成的半成品进行简单的
机械加工来以低成本大量地制造支承件。支承件可以例如通过螺纹接合以固定且导电的方式直接连接至机器的定子部分或壳体部分。此外,接地线缆可以容易地附接至支承件或安装在支承件上。支承件可以一件式地或多件式地来实现。
[0015] 支承件和接触元件一起可以形成用于接触元件的防旋转
锁。以这种方式,支承件可以以固定的方式附接至定子部分,并且接触元件也可以相对于旋转轴以固定的方式布置在支承件上并且可以与轴接触。否则,特别是由于滑动接触表面的环形形状和同轴布置,接触元件可能会与轴一起旋转,这将意味着将不存在与轴的滑动接触。可以通过简单地以形式配合的方式将接触元件容纳在支承件上来实现防旋转锁,使得接触元件可以在支承件上轴向移动并且防止接触元件相对于支承件的径向移动。
[0016] 弹簧机构可以具有弹簧元件,优选地为
螺旋弹簧、
压缩弹簧、盘簧、叶
片弹簧、
锥形弹簧、环形弹簧或
膜片弹簧,其可以相对于滑动接触表面或者相对于轴的旋转轴同轴地布置。以这种方式,还可以借助于弹簧机构将沿轴的旋转轴方向作用的接触压力或弹簧力施加在接触元件上,从而建立接触力。
[0017] 接触元件可以由具有不同材料混合物的至少两个层组成。因此,接触元件可以具有至少两个层,所述至少两个层具有不同的物理特性并且因此具有不同的功能性。
[0018] 层可以沿轴向方向背对背形成,其中,滑动接触表面可以由具有按重量计小于60%的铜含量的滑动层形成,而接触压力侧可以由具有按重量计大于80%的铜含量的接合层形成,其中,优选地,可以在滑动层与接合层之间形成有膨胀层。例如,接合层可以具有按重量计90%至99%的铜含量,
锡或锌的添加量高达按重量计9%,而石墨含量不超过按重量计3%,从而使其为可
焊接的和可焊接的。以这种方式,接合层表现出与无铅
焊料的特别良好的
润湿性并且也是可焊接的。此外,接合层具有超过100MPa的高挠曲强度,这给予接合层抗拉伸、剪切和
压缩机械
应力的高的抵抗力。滑动层也可以具有按重量计小于等于50%的铜含量,或者甚至可能完全不含铜。这导致磨损极小的良好的滑动特性,因此使用寿命长以及化学
稳定性良好。在结构上,不同层在其各向同性/
各向异性方面也可以不同。接合层可以是各向同性的,而滑动层可以是各向同性的或各向异性的。在这种情况下,可以特别地通过平行于滑动平面的优选的石墨取向来最优地使用滑动层中利用的石墨的润滑效果。可以通过各向同性/各向异性来调节滑动层的
热膨胀行为。可选的膨胀层可以用于使滑动层的
热膨胀系数与接合层的热膨胀系数之间的任何差异均匀。
[0019] 接触元件可以通过烧结被实现为在层之间具有带轮廓的过渡区。当通过烧结来制造接触元件时,各个层可以容易地由相应选择的粉末混合物形成。此外,可以在各个层之间的过渡区中形成轮廓,从而所述层在轴向方向上互锁。可以通过首先在模具中用相应轮廓的模
压实第一层,然后以粉末混合物的形式填充第二层并将其压实来形成轮廓。
[0020] 支承件可以具有至少一个引导元件组件,引导元件组件沿轴向方向延伸并且接触元件可以在该引导元件组件上轴向移动。引导元件组件可以形成沿轴向方向或沿轴的旋转轴方向连续的轮廓,从而确保接触元件的轴向移位性。引导元件组件沿轴向方向的长度可以总是使得:接触元件可以在当接触元件借助于弹簧机构沿轴向方向移位时接触元件不从引导元件组件脱离的情况下通过磨料磨损部分地或全部地被消耗。
[0021] 接触元件可以在其圆周处具有引导轮廓,该引导轮廓被插入到引导元件组件中。因此,引导元件组件可以在接触元件的圆周处部分地或完全地围绕接触元件。接触元件的圆周或引导轮廓可以是多边形的或部分地或完全地是圆形的。例如,引导元件组件接合到其中的凹口或凹槽可以在轴向方向上形成在圆周处。原则上,接触元件可以以如下方式被配置,该方式使得接触元件仅通过引导元件组件而在接触元件的圆周处支承在基板上。
[0022] 接触元件还可以具有引导凹部,引导元件组件或轴的引导销可以接合到该引导凹部中。引导凹部可以是沿着接触元件的纵向轴形成的孔,接触元件因此形成环形滑动接触表面。引导凹部可以是接触元件中的通孔或接触元件中的看不见的孔形凹部。可选地或可替选地,引导凹部可以是接触元件上的中心孔,从而允许将接触元件插入至引导销上或轴的阶梯状直径上。因此,轴可以用于径向固定接触元件。
[0023] 引导凹部和引导元件组件可以具有对应的横截面。这允许接触元件被引导并且因此能够沿轴向方向移位。此外,取决于所选的横截面形状,对应的横截面可以形成防旋转锁。例如,横截面可以是圆形、方形、矩形或多边形。因此,代替圆形孔,可以提供多边形的引导凹部和相应定形的引导销,它们一起形成了防旋转锁。在这种情况下,也可以在引导凹部与引导元件组件之间形成间隙配合。
[0024] 引导元件组件可以与滑动接触表面同轴地布置。这确保了接触元件始终可以相对于轴的旋转轴在中心布置在轴的轴向端处。因此,滑动接触表面的
重心始终可以对应于轴接触表面的重心,在这种情况下,两个重心也可以位于轴的旋转轴上。此外,接触元件可以是
旋转对称的。
[0025] 引导元件组件可以具有至少一个引导元件,优选地具有多个引导元件。引导元件例如可以是支承件的简单的销状突起部。此外,引导元件也可以是支承件的螺钉。引导元件也可以是具有多边形横截面的突起部,并且可以基本上具有任何横截面形状。此外,如果合适,可以使用具有上述横截面形状的多个引导元件。
[0026] 引导元件可以与支承件的基板成一体,或者可以插入到基板中。在简单的实施方式中,引导元件可以是销,该销被简单地插入到基板的孔中。同样地,销状引导元件可以以突起的方式与基板成一体。基板还可以具有中心孔,螺钉被插入或拧入到该中心孔中。
[0027] 如果支承件具有一
体模制的引导元件,则支承件也可以一件式地来实现。支承件可以简单地通过注塑模制或通过对半成品进行机械加工来制造。引导凹部的内表面可以与引导元件的外表面导电接触。这允许电流在低的过渡电阻下从接触元件传输到支承件。如果引导凹部是例如孔,则孔的内表面可以与作为引导元件的销或轴颈的外表面导电接触。内表面和外表面或相应的直径可以形成间隙配合,该间隙配合始终确保低的过渡电阻。轴向移位性可以简单地通过接触元件的碳以及通过内表面和外表面的因此有利的摩擦
配对来确保。
[0028] 引导元件可以相对于轴接触表面同心地布置在支承件上。因此,引导元件也可以总是与轴接触表面同心地布置。
[0029] 另外地或可替选地,引导元件可以相对于轴接触表面偏心地布置在支承件上。然而,在这种情况下,应存在多个引导元件,并且所述引导元件应以如下方式相对于轴接触表面偏心地布置在支承件上,该方式使得引导元件总是相对于轴的旋转轴均匀地分布,例如彼此等距地分布。
[0030] 沿轴向方向延伸的至少一个凹槽可以形成在滑动接触表面中。此外,例如,从中心向外径向延伸的多个凹槽也可以形成在滑动接触表面中。凹槽的深度可以对应于接触元件的最大磨损深度。借助于凹槽,可以收集磨蚀的颗粒或所建立的滑动接触上的油并将其径向释放到凹槽中。凹槽也可以螺旋地延伸,或者可以相对于滑动接触表面的中心以举左前足向右方前行之步态(passant)的方式布置。
[0031] 如果接触元件经由至少一根导电绞线或柔性扁平金属带连接至支承件,则电流的特别良好的释放成为可能。绞线可以在制造期间放置在接触元件中,或者可以通过例如焊接或胶合附接至接触元件。优选地,接触元件具有附接至接触元件的圆周并且等距地间隔开的多根绞线。绞线也可以借助于
端子或螺钉或通过焊接容易地附接至支承件。通过使用绞线,可以更进一步减小过渡电阻。绞线也可以直接连接至机器的定子部分。根据本发明的机器具有根据本发明的放电装置。根据从属于装置权利要求1的权利要求的特征,机器的有利实施方式是明显的。
[0032] 在下文中,参照
附图更详细地解释本发明的有利实施方式。
[0033] 图1:是轴上的放电装置的第一实施方式的剖视图;
[0034] 图2:是根据放电装置的第一实施方式的接触元件的顶视图;
[0035] 图3:是图2的接触元件的侧视图;
[0036] 图4:是根据放电装置的第一实施方式的基板的顶视图;
[0037] 图5:是图4的基板的侧视图;
[0038] 图6:是接触元件的第二实施方式的顶视图;
[0039] 图7:是图6的接触元件的侧视图;
[0040] 图8:是基板的第二实施方式的顶视图;
[0041] 图9:是图8的基板的侧视图;
[0042] 图10:是接触元件的第三实施方式的顶视图;
[0043] 图11:是图10的接触元件的侧视图;
[0044] 图12:是接触元件的第四实施方式的顶视图;
[0045] 图13:是图12的接触元件的侧视图;
[0046] 图14:是接触元件的第五实施方式的顶视图;
[0047] 图15:是图14的接触元件的侧视图;
[0048] 图16:是接触元件的第六实施方式的顶视图;
[0049] 图17:是图16的接触元件的侧视图;
[0050] 图18:是接触元件的第七实施方式的顶视图;
[0051] 图19:是图18的接触元件的侧视图;
[0052] 图20:是接触元件的第八实施方式的顶视图;
[0053] 图21:是图20的接触元件的侧视图;
[0054] 图22:是接触元件的第九实施方式的顶视图;
[0055] 图23:是图22的接触元件的侧视图;
[0056] 图24:是接触元件的第十实施方式的顶视图;
[0057] 图25:是图24的接触元件的侧视图;
[0058] 图26:是轴上的放电装置的第二实施方式的剖视图;
[0059] 图27:是轴上的放电装置的第三实施方式的剖视图;
[0060] 图28:是轴上的放电装置的第四实施方式的剖视图;
[0061] 图29:是轴上的放电装置的第五实施方式的剖视图;
[0062] 图30:是轴上的放电装置的第六实施方式的剖视图。
[0063] 图1示出了轴11上的放电装置10的剖视图。放电装置10由接触元件12、支承件13和弹簧机构14组成。接触元件12主要由碳组成,是圆形的并且具有滑动接触表面15,滑动接触表面15与轴11的端侧或轴向轴接触表面16接触,由此建立了导电的滑动接触17。弹簧机构14由盘簧18形成,盘簧18与接触元件12的接触压力侧19接触并且相对于轴11的旋转轴20沿轴向方向将接触力施加在接触元件12上。支承件13包括基板21,基板21具有形成在其上的引导元件22,其在目前情况下是圆形的。由于其环形形状,接触元件12具有引导凹部23,引导元件22相应于引导凹部23以如下方式被配置,该方式使得接触元件12能够相对于旋转轴
20在支承件13上轴向移位。盘簧18插在引导元件22上并且抵靠着基板21。基板21和引导元件22由金属一件式地来实现,并且附接至电机的固定部件(未示出)。总之,可以以这种方式经由接触元件12建立从轴11到支承件13的具有低过渡电阻的良好的导电连接。此外,放电装置10可以特别快速和简单地安装在电机上。
[0064] 图2和图3示出了环形且旋转对称的接触元件24。接触元件24在端面25处形成滑动接触表面。
[0065] 图4和图5示出了一件式地来实现并且具有矩形基板28的支承件27,该矩形基板28具有销状或
螺栓状的一体式的引导元件29。图2的接触元件可以插在引导元件29的外表面30上。
[0066] 图6至图9的组合视图示出了盘状的并且具有形成引导凹部33的中心孔32的接触元件31。支承件34在基板35上具有作为引导元件36的引导销37,所述引导销37对应于孔32。此外,在基板35中形成有方形引导销38,引导销38与引导销37一起形成引导元件组件39。引导销38可以接合到接触元件31的圆周41中的凹槽40中,从而在支承件34上形成用于接触元件32的防旋转锁42。
[0067] 图10和图11示出了接触元件43,其与图6的接触元件的不同之处在于其具有凹陷44。凹陷44形成在滑动接触表面45中并且用于接纳螺钉的
螺钉头(未示出),螺钉可以用于将接触元件43附接至支承件或基板并在其上引导它。
[0068] 图12和图13示出了具有三个引导凹部47的接触元件46,这三个引导凹部47形成在接触元件46中并且相对于轴(未示出)的旋转轴48偏心并等距地间隔开。
[0069] 图14和图15示出了具有槽状引导凹部50的接触元件49。
[0070] 图16和图17示出了具有多边形引导凹部的接触元件51。
[0071] 图18和图19示出了具有绞线55(部分示出)的接触元件53,绞线55在接触元件53的圆周54处从接触元件53引出并且可以连接至支承件(未示出)。中心引导凹部56和等距布置的绞线55使接触元件53以支承件为中心。
[0072] 图20和图21示出了接触元件57,其与图2的接触元件的不同之处在于在滑动接触表面58中其具有相对于轴(未示出)的旋转轴59沿径向方向延伸的凹槽60。凹槽的径向深度T对应于接触元件57的磨损长度。
[0073] 图22和图23示出了接触元件61,其与图20的接触元件的不同之处在于其具有相对小的引导凹部62。
[0074] 图24和图25示出了接触元件63,其与图22的接触元件的不同之处在于其具有相对于轴(未示出)的旋转轴65以举左前足向右方前行之步态的方式延伸的凹槽64,这意味着凹槽64不与旋转轴65相交但是仍然沿径向方向布置。
[0075] 图26示出了轴67上的放电装置66,该放电装置66在端面68中具有中心凹部69。放电装置66包括支承件70和接触元件74,支承件70具有基板71和作为引导元件73附接至基板71的螺钉72,放电装置66的接触元件74具有用于接纳螺钉72的螺钉头76的凹陷75。凹陷69也足够大,以使得螺钉头76在接触元件74磨损时不与端面68接触。在接触元件74与基板71之间布置有用于施加接触力的盘簧77。
[0076] 图27示出了具有形成圆锥形的滑动接触表面80的接触元件79的放电装置78。轴81还形成与滑动接触表面80匹配的圆锥形的轴接触表面82。以这种方式,接触元件79可以容易地以轴81为中心。
[0077] 图28示出了轴84上的放电装置83,该放电装置83在端面86上具有轴颈85。放电装置83包括:环形接触元件87,其被插在轴颈85上;支承件88,其具有基板89;盘簧90;以及绞线91,绞线91在接触元件87的圆周92处从接触元件87引出并附接至基板89。因此,可以在接触元件87与基板89之间建立特别良好的导电连接。
[0078] 图29示出了放电装置93,其与图1的放电装置的不同之处在于其具有如下接触元件94,该接触元件94具有滑动层95和接合层96。滑动层95具有按重量计小于60%的铜含量,而接合层96具有按重量计大于80%的铜含量。描绘了滑动层95与接合层96之间的过渡区97的轮廓。接触元件94是通过烧结不同的粉末混合物而制造的。
[0079] 图30示出了放电装置98,其与图29的放电装置的不同之处在于其具有如下接触元件99,该接触元件99具有滑动层100和接合层101,在它们之间形成有膨胀层102。膨胀层102使滑动层100和接合层101的不同的热膨胀系数均匀。