用于滑环刷的架的制作方法

本发明涉及滑环刷和用于滑环刷的架，特别是用于需要长寿命和高电流负载的应用的滑环刷和用于滑环刷的架。这种滑环刷优选地与用于进行能量传输或信号传输的滑环以及发电机或电动机的集电器一起使用。

背景技术：

在美国专利申请公布us2005/0029896a1中，公开了用于将碳刷保持在直流电动机的换向器上的刷架。刷可滑动地保持在壳体中并且通过弹簧按压在换向器上。随着刷的磨损增加，刷向下滑动穿过壳体，这导致弹簧减小其长度并且减小施加于刷的力。因此，滑环刷的压力随时间降低，这导致电接触特性发生改变。

德国专利de967293公开了用于电机的刷，其中，借助于弹簧加载的杆将一片碳刷材料按压在滑环上。为了实现恒定的压力，需要长弹簧和长杆，这使得刷架较大。

在gb146,828中公开了具有刷的可枢转滚珠式安装的刷架。滚珠式安装使得刷能够在两个轴线上倾斜并且使得刷能够旋转。这需要凹形集电环和与凹形集电环相适配的凸形刷。

在de7100971u、cn105470766a和fr530801a中公开了另外的刷架。ro92696a2公开了滑环刷架，其中刷能够围绕既不平行也不正交的两个轴线枢转。

ep3364508a1公开了用于滑环刷的架。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供用于滑环刷的架，该架的尺寸相对紧凑并且在刷的使用寿命内提供大致恒定的压力而与刷的磨损无关。

问题的解决方案在独立权利要求中描述。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。

刷架包括基座、杆和刷支架。基座是主体，该主体可以用于将刷架安装至刷架组件并且也可以支承用于电连接的电触点或连接器。取决于具体应用，基座可以是导电或非导电材料。在高电流刷的情况下，可能希望的是制成金属基座，该金属基座具有高稳定性并且能够通过基座实现简单接触和电流引导。可替代地，可能希望的是具有高绝缘性。因此，基座可以由绝缘材料制成。此外，例如塑料材料的绝缘材料比金属体所需的重量更轻。在任何情况中，基座的主要功能是机械功能以支撑和保持刷架的其他部件。

刷支架是用于保持至少一个刷并且优选地两个刷的部件。这种刷可以是任何本领域已知的刷，例如烧结石墨或银-石墨材料。刷也可以包括成束的线或其他合适材料或烧结碳材料。也可以仅存在例如泡沫金属刷的一个刷或多个这种刷。优选地，刷支架包括导电材料以改善电流向刷的传导。如果需要，此处也可以使用绝缘材料。在通常应用中，单个刷支架上的多个刷在相同的滑动轨道上运行。因此，它们应该电连接，该电连接最好通过使用刷支架的导电材料来完成。刷支架本身或刷支架处的刷可以通过利兹线或可以将电流引导至并且穿过刷的任何其他柔性线而电接触。

提供了杆以将刷支架机械连接至基座。存在基座枢轴以将杆连接至基座。该基座枢轴具有基座枢转轴线。当这种刷架安装至包括滑动轨道的滑环、也称为滑环模块、时，基座枢转轴线优选地平行于柱形滑环的旋转轴线并且在盘式滑环的情况中平行于轨道平面。

杆还可以通过刷支架枢轴连接至刷支架，该刷支架枢轴具有平行于基座枢转轴线的第一枢转轴线并且优选地具有与第一枢转轴线正交的第二枢转轴线。第二枢转轴线可以与穿过柱形滑环的旋转轴线的平面正交。优选地，第二枢转轴线不与柱形滑环的旋转轴线正交。因此，优选的是，刷支架能够相对于滑动轨道表面倾斜但不能旋转离开滑动轨道的移动方向。优选地，阻止这种旋转。根据优选实施例，刷支架枢轴仅能够围绕平行于基座枢转轴线的轴线枢转。根据另一实施例，刷支架枢轴能够进一步围绕平行于滑动轨道平面的轴线枢转，这将在下文详细限定。

弹簧、优选地是拉伸弹簧并且最优选地是螺旋弹簧、被连接在基座和杆之间，使得刷支架枢轴在弹簧的力的作用下增加了刷支架枢轴距基座的距离。因此，刷支架并且因此刷支架枢轴可以由弹簧沿离开基座的方向拉动，并且如果相对于滑环适当地安装，刷支架并且因此刷支架枢轴将力施加在滑环的滑动轨道上。弹簧可以布置成平行于基座。在任何操作状态中，弹簧均可以比杆更长。

杆可以包括第一杆区段和第二杆区段，第一杆区段保持刷支架，弹簧附接至第二杆区段。弹簧的另一侧附接至基座。基座枢轴位于第一杆区段和第二杆区段之间。优选地，弹簧附接点和基座枢转轴线之间的第一线与刷支架枢转轴线和基座枢转轴线之间的第二线之间的角度在90°至120°之间的范围内，优选地在80°至120°之间的范围内。利用这种构造，可以改变力的方向并且可以减小整体尺寸。利用杆区段的长度不同，也可以修改力的大小。优选的是，第二杆区段比第一杆区段更短。

在刷支架包括至少两个刷固定装置并且刷支架枢轴布置在刷固定装置之间的优选实施例中，刷支架将枢转至使得两个刷均被按压在滑动轨道上的位置中。因此，这种可倾斜的双刷支架与滑动轨道的位置自动对准，并且可以容易地补偿刷架和滑动轨道之间的高度甚至相对位置的变化。可倾斜的双刷支架甚至可以补偿滑动轨道的表面内的侧向偏移。

刷固定装置可以包括用于将刷安装至刷支架的套管或铆钉或孔或螺纹。固定装置还可以包括将刷胶合、钎焊或熔焊至刷支架的固定件。此外，刷可以被夹持或按压装配至刷支架。在另一实施例中，刷可以包括金属泡沫，该金属泡沫还可以包括银、金、铜、黄铜或具有良好接触特性的任何其他导电材料。优选地，可以使用开孔泡沫，但是闭孔泡沫也适合于该实施例。优选地，这种泡沫可以钎焊至铜或任何其他导电材料的薄片。

优选地，第一刷固定装置和刷支架枢轴之间的距离比第二刷固定装置和刷支架枢轴之间的距离大至少10％，优选地20％至50％。

在另一实施例中，利兹线设置在刷支架和基座之间。利兹线可以用于接触刷并且用于将电流引导至刷。优选的是，在螺旋弹簧内引导利兹线。这可以给弹簧带来附加阻尼，该附加阻尼可以改善机械特性。利兹线可以形成为带状线，该带状线可以是裸露的或隔绝的。

进一步优选的是，杆是刚性杆。刚性或坚硬的杆可以允许在不使杆发生变形的情况下将高压力施加至刷。

在另一实施例中，杆包括多个密封的中空空间以减小杆重量。杆可以包括泡沫、网状结构、蜂窝结构、桁架框架(fachwerk)或具有沿力线的结构的轻质结构中的至少一种或类似的3d打印结构。应该存在封闭或密封的中空空间以避免杆的表面积较大，灰尘和碎屑可以粘附至该表面积。此外，如果需要高绝缘性，则可以避免可以在杆内聚集灰尘和碎屑的中空空间，因为聚集其中的导电灰尘可以减小电绝缘并且(由于灰尘材料而)将重量增加至杆。密封的中空空间减小了杆的重量和惯性，同时防止了导电碎屑的聚集。可以存在至少一侧封闭的结构。

在替代实施例中，杆可以是弹性杆，该弹性杆优选地仅能够与刷支架枢转轴线和/或与柱形滑环的滑环旋转轴线和/或与盘形滑环的轨道表面正交地弯曲。此外，优选地，杆牢固地连接至基座。优选地，杆的弹簧常数被设计成使得杆在刷上产生所希望的力。此外，优选的是，刷支架通过刷支架枢轴连接至杆，枢转轴线与基座枢转轴线平行，如上文已经描述的。因此，该实施例也具有与上述实施例相同的优点。优选的是，杆包括弹性材料并且优选地包括弹簧式弹性材料。这可以是弹簧、钢或黄铜材料。同样优选的是，杆能够传导电流，这将简化刷的电连接。

在优选实施例中，杆包括两根平行的线。优选地，线平行于穿过刷支架枢转轴线的平面和/或穿过柱形滑环的滑环旋转轴线的平面。这些平行的线允许杆仅在与刷支架枢转轴线和/或滑环旋转轴线正交的平面中移动而不会移动到平面外，因此提供了刷的稳定支承。线可以是弹性的并且可以提供弹簧特性，该弹簧特性可以用于将一个或多个刷按压至滑动轨道。线也可以用于使刷电接触。

在下文中，解释了其他实施例，这些实施例可以与如上所述的杆的不同实施例组合。

在另一实施例中，刷支架能够围绕平行于基座枢转轴线的轴线枢转和/或在与刷支架枢转轴线和/或柱形滑环的滑环旋转轴线和/或盘形滑环的轨道表面正交的平面中枢转。进一步优选的是，将移动角度限制至30度、优选地20度并且最优选地10度、的范围内。

第一刷固定装置和第二刷固定装置可以限定滑动轨道平面。这仅仅是定义的事物而不是实际平面。该滑动轨道平面可以切向地接触滑动轨道的表面。

进一步优选的是，刷支架枢轴能够进一步围绕平行于滑动轨道平面的轴线枢转。这可以允许补偿滑动轨道的侧向倾斜。在另一实施例中，提供了旋转阻止装置以阻止刷支架枢轴围绕与滑动轨道平面正交的轴线旋转。这可以进一步增加刷的稳定性和引导性。

在另一实施例中，前部刷或刷区段可以定位成比后部刷或刷区段更加远离刷支架枢轴。前部刷是滑动轨道的某个区段首先经过的刷。滑动轨道的该区段随后经过后部刷。

附图说明

在下文中，在不限制总体发明构思的情况下，将参考附图在实施例的示例中通过示例的方式描述本发明。

图1示出了刷架的实施例。

图2示出了刷架的正视图。

图3示出了杆的基本功能。

图4示出了具有倾斜平面的实施例。

图5示出了具有偏斜的滑动轨道平面的实施例。

图6示出了具有线杆的实施例的侧视图。

图7示出了具有线杆的实施例的立体图。

图8示出了具有金属泡沫刷的实施例。

图9示出了杆的实施例的一部分。

图10示出了在刷架处的不同的力。

具体实施方式

在图1中，示出了刷架的实施例。力的进一步细节在图10中示出。刷架200包括基座210、杆220和刷支架240。基座优选地安装至滑环壳体并且优选地相对于滑环的旋转轴线130以固定空间关系安装。杆可以具有从第一侧至第二侧的延伸，并且优选地利用第一侧通过基座枢轴221机械连接至基座，该基座枢轴221优选地具有单个基座枢转轴线222(在图3中示出)。基座枢转轴线可以平行于旋转轴线130。刷支架240可以通过刷支架枢轴223连接至杆220的第二侧，该刷支架枢轴223可以具有单个刷支架枢转轴线224。刷支架枢转轴线224可以平行于基座枢转轴线222。

弹簧、可以是螺旋弹簧230、可以布置在基座210和杆220之间，使得弹簧可以拉动杆，使得刷支架被推动离开基座，该推动离开可以沿滑动轨道110的方向，该滑动轨道110是滑环100的一部分。滑环还可以包括保持滑动轨道的绝缘支撑件120。滑环可以围绕其旋转轴线130旋转。

在一个实施例中，为了即使在刷由于磨损而缩短的情况下也实现恒定的力，有利的是具有长的弹簧，使得在所有操作状态下并且即使在刷被磨损的情况下，弹簧力几乎是恒定的。该构造在本文中在图1中示出，其中弹簧平行于基座以实现刷架200的低高度。

刷支架240可以至少包括第一刷固定装置241并且还可以包括第二刷固定装置242。刷固定装置可以保持第一刷310和第二刷320。一根利兹线250或多根这样的利兹线可以与刷接触用于刷的电连接。利兹线可以布置在螺旋弹簧内。

杆220的移动可以被限制在与基座枢转轴线222正交的第一平面400内。刷支架240可以仅能够在第一平面400中移动，该第一平面400与刷支架枢转轴线224正交，和/或与基座枢转轴线222正交和/或与滑环旋转轴线130正交。第一平面400在该图中平行于和/或位于绘图平面内。可能有益的是，刷支架不能移动离开该第一平面400。这避免了振动和振荡。由于刷支架和刷不能沿滑动轨道的侧向移动(例如，离开与基座枢转轴线222正交的平面)，因此可以不需要滑动轨道的侧壁。因此可以不再存在由于滑动刷沿这种轨道侧壁滑动而导致的磨损。还可以阻止刷支架240倾斜或旋转离开第一平面400使得第一刷在第一平面上方的方向上移动并且第二刷在第一平面下方的方向上移动或使得第一刷在第一平面下方的方向上移动并且第二刷在第一平面上方的方向上移动。这可以确保第一刷310和第二刷320在相同的轨道上运行而不具有侧向移位。

刷的唯一可能移动可能是在平行方向上离开第一平面，使得两个刷同时在第一平面上方的方向上移动或同时在第一平面下方的方向上移动，如图5所示。

本文所述的具有第一刷310和第二刷320的实施例也可以应用于单个长形刷，该单个长形刷可以具有第一刷区段310和与第一刷区段相对的第二刷区段320。这种构造在图8中示出。

现在，进一步参考图10。当滑环旋转时，第一刷310和第二刷320通过它们的摩擦力710、720在刷支架枢轴中引起扭矩。在该图中，旋转方向可以是顺时针方向。为了提供至少部分的扭矩补偿，与后部第二刷320与如图1所示的刷支架枢轴相距的距离722相比，前部第一刷310可以定位成与刷支架枢轴223相距更远距离712。因此对于每个刷产生了扭矩和附加力分量。当滑环顺时针旋转时，前部第一刷附加地负载有由刷摩擦扭矩所引起的力，后部刷的负载较小，因为此时弹簧所引起的力由于刷的摩擦动量而减小。由于刷支架枢轴223相对于第一刷310和第二刷320的位置不对称，因此与第一刷310相比，对第二刷320施加了更大的力。这可以补偿由摩擦所产生的不同的力。

总之，为了改善扭矩补偿，前部刷可以定位成比后部刷更加远离刷支架枢轴。这可以与本文描述的所有实施例组合。

如果滑环在如图所示的相反方向(逆时针方向)上旋转，则刷支架枢轴223可以布置成更靠近第一刷310，该第一刷310则可以是后部刷。

在改变旋转方向的情况下，刷支架枢轴223可以对称地位于第一刷310和第二刷320之间。

在图2中，示出了图1的刷架的正视图。此处，也可以清楚地看到与滑环以及其滑动轨道的关系。现在，与刷支架枢转轴线和/或与滑环旋转轴线正交的平面400优选地与绘图平面正交并且还与滑环的旋转轴线130正交。优选的是，设置阻止装置以防止刷支架围绕在与刷支架枢转轴线和/或滑环旋转轴线正交的平面420内并且与滑环的旋转轴线130正交的轴线225旋转。显然，如果刷支架围绕轴线225旋转，则刷可以侧向移动离开滑动轨道，这将导致滑环损坏并且导致电接触中断。这种阻止装置可以是刷支架240和杆220的重叠区域。

在图3中，示出了杆的基本功能。弹簧230可以拉动并且可以产生沿方向232的力，这导致在刷支架240上产生垂直于滑动轨道的力228。优选地，刷支架枢转轴线224和第一刷固定装置241之间的距离与刷支架枢转轴线224和第二刷固定装置242之间的距离相同，使得如果刷具有相同的长度，则施加至刷的力相同。尽管显然滑动轨道是圆形的并且具有确定的半径，如图1和图2所示，但为了简化起见，在以下说明中，假定半径是无限大的，这可以导致一平面，该平面在本文中被称为滑动轨道平面。除了将刷架应用在滑环布置中之外，刷架还可以用于线性滑动轨道，该线性滑动轨道也由滑动轨道平面表示。

本文示出了杆220的优选实施例。弹簧230在杆的位于基座枢轴221和刷支架枢轴223之间的区段的外部附接至杆220。弹簧可以提供拉力。杆可以包括第一杆区段226和第二杆区段227，第一杆区段226保持刷支架240，弹簧230附接至第二杆区段227。弹簧的另一侧附接到基座210。基座枢轴221位于第一杆区段226和第二杆区段227之间。优选地，弹簧附接点和基座枢转轴线222之间的第二线与刷支架枢转轴线224和基座枢转轴线222之间的第一线之间的角度在80°至120°之间的范围内。利用这种构造，可以改变力的方向并且可以减小整体尺寸。利用杆区段的长度不同，也可以修改力的大小。优选的是，第二杆区段227比第一杆区段226更短。

在该图中，示出了理想的构造，其中滑动轨道平面420是水平构造。基本上，只要存在垂直于滑动轨道平面420的主力分量228，就可以自由选择该水平构造。

在图4中，示出了具有倾斜平面的实施例。此处，滑动轨道平面420是倾斜的，如用附图标记421示出的。这可以容易地通过刷支架相应地围绕其第一枢转轴线枢转来补偿，使得两个刷再次与平面接触。因此，再次存在垂直于倾斜的滑动轨道平面421的力228。

在图5中，示出了具有偏斜的滑动轨道平面的实施例。此处，滑动轨道平面420处于偏斜构造，如附图标记422所示。如果滑环的旋转轴线没有精确地平行于基座枢转轴线，可能发生这种情况。可以存在一刷支架，该刷支架具有与第一枢转轴线正交的第二枢转轴线以允许与偏斜平面422相适配，使得在滑动轨道处刷始终利用其全部接触表面平稳运行并且因此提供可能的最佳接触。否则，在滑动轨道处刷可能仅利用边缘运行。在某些情况下这可能是可以接受的，如果滑环的轴线处于不平行于基座枢转轴线的恒定的位置的话。在这种情况下，随着刷的磨损增加，刷将增加其与滑动轨道的接触表面，因为边缘将被磨损。对于滑环不是偏心的或以其他方式移动的情况，将存在连续移动并且偏斜平面的角度可能连续变化，这将无法提供恒定的刷磨损，普通滑环刷将具有多个变化的接触特性。对于刷架的上述实施例，这也可以被动态补偿，因为刷可以容易地遵循滑动轨道的移动。优选的是，在刷支架处仅具有第一枢转轴线和第二枢转轴线。优选地，刷支架相对于杆的其他移动程度是不希望的，因为这些移动程度可以导致不稳定和振荡，从而增加刷磨损。

在图6中，示出了具有弹性杆520的刷架500的实施例的侧视图，弹性杆520包括线。杆520包括两根平行的线，该两根平行的线在其端部处固定在一起，并且平行于刷支架枢转轴线和/或平行于柱形滑环的滑环旋转轴线和/或平行于盘形滑环的轨道表面。两根平行的线可以注塑成型或以其他方式固定地保持在基座510内。线可以是连接在刷支架端部处的单件式构件。由于线在两个端部处均连接在一起，因此线不能够扭曲并且仅能够在一个平面(与刷支架枢转轴线和/或滑环旋转轴线正交的平面)中弯曲。优选地，杆的弹簧常数被设计成使得杆在刷上产生所希望的力。此外，优选的是，刷支架通过刷支架枢轴524连接至杆，该刷支架枢轴524能够在与刷支架枢转轴线和/或滑环旋转轴线正交的平面中枢转，如上文已描述的。因此，该实施例也具有与上述实施例相同的优点。弹簧的材料可以是弹簧、钢或黄铜材料。同样优选的是，杆能够传导电流，这将简化刷的电连接。在线处可以存在垫片529以进一步稳定线。

图7示出了具有线杆的实施例的立体图。它进一步示出了具有第一刷固定装置541和第二刷固定装置542的刷支架540。这些刷固定装置可以保持刷或保持用于保持刷的套管。

图8示出了具有金属泡沫刷350的实施例。基座和杆与图1示出的基本相同。存在一些例外之处，例如泡沫刷安装(优选地钎焊或熔焊)至泡沫刷承载件352，泡沫刷承载件352可以是铜或任何其他导电材料的片材。优选地，泡沫刷承载件连接至利兹线，该利兹线可以是所示的线或如任何其他图中所示的线。刷支架也被修改为保持泡沫刷承载件和/或泡沫刷。为此，刷支架优选地具有平坦表面，该平坦表面可以与泡沫刷(宽度、长度、半径)和/或滑动轨道(宽度、半径)中的至少一个匹配。泡沫刷承载件可以是刷支架的一部分。此处示出了平坦的滑动轨道区段。平坦的滑动轨道区段可以是线性滑动轨道或盘式平坦滑环的一部分。

当单个刷利用延伸至刷支架枢轴的两侧的、刷和滑环之间的接触区域安装时，枢转轴线的如图1所述的相同的非对称位置是有利的。此处，前部刷区段可以定位成比后部刷区段更加远离刷支架枢轴。

对于卷筒滑环模块，泡沫刷承载件的底侧可以弯曲至滑动轨道的半径。

图9示出了杆的实施例的一部分。多个密封的中空空间620包含在3d打印的侧壁610之间。同样存在平行的层，例如平行于绘图平面以封闭中空空间的覆盖层。

图10示出了刷架处的不同的力，并且在描述图1的部分中进一步详细解释。

附图标记列表

100滑环

110滑动轨道

120绝缘支撑件

130滑环旋转轴线

200刷架

210基座

212固定螺钉

220杆

221基座枢轴

222基座枢转轴线

223刷支架枢轴

224刷支架枢转轴线

225与滑环的旋转轴线正交的轴线

226第一杆区段

227第二杆区段

228施加至滑动轨道的力

230弹簧

232弹簧力的方向

240刷支架

241第一刷固定装置

242第二刷固定装置

250利兹线

310第一刷

320第二刷

350金属泡沫刷

352金属泡沫刷承载件

400第一平面

410穿过刷固定装置的平面

420滑动轨道平面

421倾斜平面

422偏斜平面

500刷架

510基座

520杆

524刷支架枢轴

529垫片

540刷支架

541第一刷固定装置

542第二刷固定装置

600杆的区段

610侧壁

620密封的中空空间

710第一刷的摩擦力

712第一刷的距离

720第二刷的摩擦力

722第二刷的距离