(57)【要約】【課題】回転電機内のブラシを安全、迅速、かつ低コストで交換することを可能とする技術を提供すること。【解決手段】ブラシ（１）を可動導電表面（１６）と接触させて保持する装置であって、ブラシ（１）に隣接して配設された回転可能部材（９）と、ブラシ（１）およびこの部材に結合され、ブラシ（１）を可動導電表面（１６）の方に偏倚させるように構成されたばね（６）とを含み、回転可能部材（９）が、第１の位置（６１）にあるとき、ブラシ（１）と接触して、ブラシ（１）を動かないように固定し、第２の位置（６２）にあるとき、ブラシ（１）を接触から解除して、ばね（６）がブラシ（１）を可動導電表面（１６）と接触させて保持することが可能になる、装置。【選択図】図６
2011142804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシ（１）を可動導電表面（１６）と接触させて保持する装置であって、
前記ブラシ（１）に隣接して配設された回転可能部材（９）と、
前記ブラシ（１）および前記部材に結合され、前記ブラシ（１）を前記可動導電表面（１６）の方に偏倚させるように構成されたばね（６）と
を備え、
前記回転可能部材（９）が、第１の位置（６１）にあるとき、前記ブラシ（１）と接触して、前記ブラシ（１）を動かないように固定し、第２の位置（６２）にあるとき、前記ブラシ（１）を前記接触から解除して、前記ばね（６）が前記ブラシ（１）を前記可動導電表面（１６）と接触させて保持することが可能になる、装置。
【請求項２】
前記回転可能部材（９）が、前記ブラシ（１）と係合するように構成されたプロング（６３）を備える、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記装置が、２つのブラシを備え、前記回転可能部材（９）が、前記２つのブラシの間に配設される、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ブラシ（１）と連通した本体（７）をさらに備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記本体（７）に固定されたピン（５）であって、前記ブラシ（１）内の開口に挿入されて、前記ブラシ（１）が前記ピン（５）に沿って前記可動導電表面（１６）の方に摺動することが可能となり、かつ、前記ブラシ（１）を、前記ピン（５）に垂直な平面において動かないように拘束するように構成された、ピン（５）をさらに備える、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記可動導電表面（１６）に隣接した構造に固定され、かつ、前記本体（７）と相互係止して、前記ブラシ（１）の表面を、前記可動導電表面（１６）と接触させるように構成された支持部（３）をさらに備える、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記支持部（３）が、前記本体（７）と嵌合するように構成された第１の開口（５１）を表面に備える、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記本体（７）と連通し、前記嵌合表面にある前記第１の開口（５１）内に挿入されると、前記本体（７）を前記支持部（３）と相互係止させるように構成されたプランジャ（１０）をさらに備える、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記ブラシ（１）と連通したブラシ摩耗インディケータ（４）であって、前記ブラシ（１）が摩耗するにつれて移動する、ブラシ摩耗インディケータ（４）をさらに備える、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記ブラシ摩耗インディケータ（４）が、前記インディケータ（４）の端部が前記本体（７）と同一平面となると、前記ブラシ（１）が摩耗し、交換が必要であることを示すように構成される、請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシと、回転電機の回転要素との間で電流を導通させるブラシホルダアセンブリに関する。具体的には、このブラシホルダアセンブリは、機械の動作中に交換することができる。
【背景技術】
【０００２】
回転電機は、機械を動作させる電流が導通する巻線を備えた回転子を有する。回転子は回転するので、回転要素を用いて、回転子外部の電源から回転子巻線に電流を導通させる。集電環または整流子などの回転要素をブラシと接触させると、電流が導通する。ブラシは回転要素に対して静止しているので、炭素製のこうしたブラシは摩擦のため摩耗し、定期的な交換が必要となる。
【０００３】
商業用発電機は、動作させるのにコストがかかり、また、動作をサポートするために収益を上げる必要がある。したがって、発電機を動作させる際の主な目標は、保守のためのダウンタイムを削減することである。この目的で、ブラシは、発電機を動作させながら交換できるように設計されている。発電機は、ブラシ交換中も動作しているため、安全が最大の考慮すべき事項となる。
【０００４】
ブラシを安全に交換するために、オペレータは片手だけを使用する。両手を使用すると、電流が一方の手からもう一方の手へとオペレータの身体を通って流れる事故の可能性が増す。適切な人員保護具を備えていても、片手だけを使用することは、深刻な傷害の危険を低減させるのに非常に重要である。
【０００５】
発電機を動作させながらブラシを交換するための、従来のブラシホルダの設計には、いくつかの欠点がある。例えば、ある種のブラシホルダは、重さが約１０ポンドあり、そのためオペレータが片手だけを用いて交換するのは困難である。この設計には、人間工学的な面、および安全面の両面において考慮すべき事項がある。また、ブラシ表面が冷却空気にさらされている間、ブラシ交換の適切な時機を判断するためにブラシ摩耗量を見ることが困難である。
【０００６】
別の例として、他のブラシホルダは、５ポンドと幾分軽いが、やはり片手だけで具合よく交換するには重すぎる。これらのブラシホルダは、一般に複雑で、コストがかかる。さらに、これらのブラシホルダは、各ブラシを取り囲む箱型格納容器を使用している。残念ながら、この箱型格納容器では、冷却空気にさらされるブラシ表面量が限定され、したがってブラシの寿命が短くなる。
【０００７】
箱型格納容器を備えたブラシホルダの中には、単一のブラシしか保持しないものがあり、これはすなわち、オペレータは、ブラシ交換のために、２ブラシホルダ設計と同様に２度も通電しているブラシリギング（ｂｒｕｓｈ−ｒｉｇｇｉｎｇ）／集電器アセンブリに手を伸ばさなければならないことを意味する。さらに、箱型格納容器設計を使用していては、ブラシ摩耗量を見ることが困難である。ある箱型ホルダ設計では、個々のブラシそれぞれに摩耗インディケータが取り付けられており、そのため各ブラシのコストが増大し、したがって維持費が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７３６５４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、回転電機内のブラシを安全、迅速、かつ低コストで交換することが可能となる技術が求められている。特に、ブラシ交換は、機械を動作させながら実施する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ブラシを可動導電表面（ｍｏｖｉｎｇ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）と接触させて保持する装置であって、ブラシに隣接して配設された回転可能部材と、ブラシおよびこの部材に結合され、ブラシを可動導電表面の方に付勢するように構成されたばねとを含み、回転可能部材が、第１の位置にあるとき、ブラシと接触して、ブラシを動かないように固定し、第２の位置にあるとき、ブラシを接触から解除して、ばねがブラシを可動導電表面と接触させて保持することが可能になる、装置の実施形態を開示する。
【００１１】
また、機械の動作中に動くように構成された導電表面と、導電表面と接触して、電流を導通させるように構成されたブラシと、ブラシを導電表面と接触させて保持するように構成されたブラシホルダであって、ブラシに隣接して配設された回転可能部材と、ブラシおよびこの部材に結合され、ブラシを導電表面の方に付勢するように構成されたばねとを含み、回転可能部材が、第１の位置にあるとき、ブラシと接触して、ブラシを動かないように固定し、第２の位置にあるとき、ブラシを接触から解除して、ばねがブラシを導電表面と接触させて保持することが可能になるブラシホルダとを含む、回転電機を開示する。
【００１２】
さらに、回転電機と、この機械に配設され、この機械の動作中に動くように構成された導電表面と、導電表面と接触して、電流を導通させるように構成されたブラシと、ブラシを導電表面と接触させて保持するように構成されたブラシホルダであって、ブラシに隣接して配設された回転可能部材と、ブラシおよびこの部材に結合され、ブラシを導電表面の方に付勢するように構成されたばねとを含み、回転可能部材が、第１の位置にあるとき、ブラシと接触して、ブラシを動かないように固定し、第２の位置にあるとき、ブラシを接触から解除して、ばねがブラシを導電表面と接触させて保持することが可能になるブラシホルダとを含む、回転電機システムを開示する。
【００１３】
上記およびその他の利点および特徴は、以下の説明を図面と併せ読めば、より明白となるであろう。
【００１４】
発明とみなされる主題は、本明細書の終りにある特許請求の範囲に具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の前述およびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を、同じ要素には同じ番号が付与された添付の図面と併せ読めば明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ブラシホルダアセンブリを備えた回転電機の例示的な実施形態を示す図である。
【図２】ブラシホルダアセンブリの態様を示す３次元（３Ｄ）図である。
【図３】ブラシホルダアセンブリの態様を示す上面３Ｄ図である。
【図４】ブラシホルダアセンブリ２０の態様を示す側面３Ｄ図である。
【図５】支持部の態様を示す３Ｄ図である。
【図６】ばね板を用いてブラシを固定している態様を示す、ブラシホルダアセンブリの底面図である。
【図７】プランジャばねの態様を示す、プランジャばねおよびプランジャの側面図である。
【図８】ブラシを可動導電表面と接触させて保持する方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を、利点および特徴と併せて、以下の詳細な説明により、図面を参照しながら例によって説明する。
【００１７】
回転電機を動作可能としながら、回転電機内のブラシを安全、迅速、かつ低コストで交換することが可能となる技術を開示する。この技術には、装置および方法が含まれ、一実施形態では、約２ポンド半の軽量なブラシホルダアセンブリが求められる。こうした軽量化によって、オペレータは、重量が重いため苦労するということがなく、ブラシホルダアセンブリを持ち上げ、取り付けることが可能となる。さらに、こうした軽量化によって、ブラシホルダアセンブリをより正確に操作し、配置することが可能となり、その結果安全性が増す。
【００１８】
このブラシホルダアセンブリは、ブラシを迅速かつ低コストで交換できるように設計された機構を含む。ある機構によって、取外し可能なハンドルを回すとブラシホルダを機械に迅速に固定するインターフェイスが、ブラシホルダアセンブリと機械との間で得られる。このハンドルを回すと、ブラシホルダアセンブリが機械に固定されるだけでなく、ブラシが解除されて、本明細書では集電環と呼ぶスリップリングなどの回転要素（すなわち、可動導電表面）とブラシが接触することになる。摩耗したブラシを有するブラシホルダアセンブリを取り外す際には、ハンドルをやはり回して、摩耗したブラシをブラシホルダに固定し、ブラシの残り屑がホルダから垂れ下がったり、ホルダから抜け落ちたりすることのないように安全に取り外すことができる。
【００１９】
事故の可能性を低減させるために、一実施形態では、ブラシホルダアセンブリは、少なくとも２つのブラシを保持し、また、このブラシホルダアセンブリは、少なくとも２つのブラシの摩耗を示すブラシ摩耗インディケータを含む。維持費を削減するために、この摩耗インディケータは、ブラシホルダアセンブリの一部とし、個々のブラシそれぞれの一部とはしない。この摩耗インディケータは、ブラシホルダアセンブリ内のブラシの摩耗量をオペレータに直接指示し、ブラシを交換すべき時機について推測を排除する。これらの両機構によって、オペレータが通電しているブラシの領域に手を伸ばす頻度が減少する。
【００２０】
ブラシの摩耗が早まるのを防止するために、ブラシを箱型格納容器内には収容しない。その代わりに、このブラシホルダアセンブリは、ブラシがその周りを摺動し、集電環の方に案内されるピンを含む。収容しないことによって、各ブラシの適切な表面量が冷却空気にさらされ、各ブラシの温度が適切な範囲内で維持されることになる。さらに、ピンを使用することによって、特に、ブラシを保持する箱型格納容器と比較すると、このブラシホルダアセンブリの重量は低減する。
【００２１】
次に、図１を参照する。図１は、回転電機１２の例示的な実施形態を示す。機械１２は、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）で動作するいかなる発電機および／またはモータをも指す。考察のために、機械１２をＡＣ発電機として説明する。機械１２は、固定子１３と、巻線１５を有する回転子１４とを含む。電気を発生させるために、外部電源１９からの直流を用いて巻線に通電する。ＤＣ電流は、外部電源１９から、ブラシ１および集電環１６を含む導電経路を介して導通する。集電環１６は、回転子１４と共に回転し、集電環１６に対して静止しているブラシ１と接触する。ブラシ１は、ブラシホルダアセンブリ２０によって定位置に保持されている。巻線１５には高電流が必要となるため、各集電環１６について２つ以上のブラシ１を使用することができる。考察のために、ブラシホルダは、２つのブラシを保持するように構成されたものとして示す。
【００２２】
次に、図２を参照する。図２は、ブラシホルダアセンブリ２０の態様を３次元（３Ｄ）図で示す。ブラシホルダアセンブリ２０は、集電環１６の方に延びるピン５を有する本体７を含む。ブラシ１は、ピン５を受けるように構成された孔を有する。ブラシ１は、ピン５に沿って摺動し、（Ｚ軸に沿って）集電環１６の方に案内されるように構成されている。ピン５は、ブラシ１をＸおよびＹ平面において拘束している。各ブラシ１には、ばね６が、各ブラシ１と本体７との間で配設されている。各ばね６の端部が、ばね板９の遠位端に取り付けられている。ばね６の端部が延びると、ばね６は伸張して、ブラシ１に力が加わり、ブラシ１がＺ軸に沿って、関連付けられた集電環１６の方に押し付けられることになる。ばね板９は、遠位端の反対側が本体７に結合され、ＸＹ平面において限られた円弧で回転するように構成されている。リンク機構８が、本体７のところでばね板９に結合されている。リンク機構８の動きによって、ばね板９が回転する。図２に示すように、ばね板９は、２つのブラシ１の間をＺ軸に沿って延びている。
【００２３】
やはり図２を参照すると、ハンドル２が、本体７に取外し可能に取り付けられている。本体７は、ハンドル２を用いて支持部３と相互係止する（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）ように構成されている。支持部３は、集電環１６に隣接した構造に取り付けられるか、または係留されるように構成されている。したがって、ハンドル２を用いて、摩耗したブラシ１を有する本体７を、支持部３から取り外すことができる。摩耗したブラシ１は、新しいブラシ１と交換することができ、本体７は、支持部３に再度取り付けることができる。ブラシホルダアセンブリ２０は、再度取り付けると、新しいブラシ１が、関連付けられた集電環１６と接触するように構成されている。
【００２４】
やはり図２を参照すると、ブラシホルダアセンブリ２０は、各ばね６に結合されたブラシ摩耗インディケータ４を含む。したがって、ブラシ１が摩耗し、ばね６によって、関連付けられた集電環１６の方に引っ張られるにつれて、ブラシ１に取り付けられたばね６もやはり、ブラシ摩耗インディケータ４に沿って集電環１６の方に移動することになる。ブラシ摩耗インディケータ４は、本体７を貫通して延びている。一実施形態では、ブラシ摩耗インディケータは、本体７と一線に並ぶとブラシの摩耗量を示すマーキングを含む。別の実施形態では、ブラシ摩耗インディケータ４の長さは、ブラシ１が摩耗し、交換が必要となるときに、表示器４の端部が本体７と同一平面となるように構成されている。
【００２５】
次に、図３を参照する。図３は、ブラシホルダアセンブリ２０の態様の上面３Ｄ図を示す。図３に示すように、ブラシホルダアセンブリ２０は、本体７の開口内に配設されたプランジャ１０を含む。プランジャ１０は、リンク機構８に結合されており、したがって、プランジャ１０が回転すると、リンク機構８が回転することになる。
【００２６】
次に、図４を参照する。図４は、ブラシホルダアセンブリ２０の態様の側面３Ｄ図を示す。図４に示すように、ブラシ摩耗インディケータ４は、ばね６に結合されている。したがって、ばね６に結合されたブラシ１が、ブラシ摩耗のため、関連付けられた集電環１６の方に移動すると、ブラシ摩耗インディケータ４もやはり移動することになる。図４に示すように、プランジャピン１１が、プランジャ１０の一端部に配設されている。プランジャ１０およびプランジャピン１１は、支持部３と相互係止して、ブラシホルダアセンブリ２０を動作の際に定位置に固定するように構成されている。
【００２７】
次に、図５を参照する。図５は、支持部３の態様の３Ｄ図を示す。本体７を支持部３に固定するために、支持部３は、第１の開口５１および第２の開口５２を含む。第１の開口５１は、プランジャ１０をプランジャピン１１とともに第１の位置５３で受けるように構成されている。プランジャ１０を第１の開口５１内に挿入した後、ハンドル２を用いて、プランジャ１０を第２の位置５４まで９０度回転させる。回転中、プランジャピン１１は、第２の開口５２と係合する。第２の開口５２は、プランジャピン１１と接触して、プランジャ１０（および本体７）を支持部３の方に引っ張るように構成された傾斜表面５５を含む。第２の位置５４では、プランジャピン１１がノッチ５６内に挿入されて、プランジャ１０が回転して第１の位置５３に戻ることが防止される。図２を参照すると、リップ２１によって、プランジャ１０が回転する際に、本体７がＸＹ平面において回転することが防止されている。
【００２８】
次に、図６を参照する。図６は、ばね板９を用いて、ブラシ１をブラシホルダアセンブリ２０に固定している態様を示す、ブラシホルダアセンブリ２０の底面図を示す。ブラシ１は、取り外す場合でも、元に戻す場合でも、その定位置で保持しなければならない。この目的で、プランジャ１０を第２の位置５４から第１の位置５３まで９０度回転させて、ノッチ５６からプランジャピン１１を外すと、リンク機構８によって、ばね板９が第２のばね板位置６２から、第１のばね板位置６１へと回転する。第１のばね板位置６１では、ばね板９は、ブラシ１に押し付けられて、ブラシ１を定位置に保持する。一実施形態では、ばね板９は、固定の目的でブラシ１に僅かに挿入されるように構成されたプロング６３を含む。
【００２９】
次に、図７を参照する。図７は、プランジャ１０が本体７を貫通して挿入されている側面図を示す。プランジャばね７０が、プランジャ１０の周りに、本体７とプランジャ１０の表面との間で配設されている様子が示されている。プランジャばね７０は、プランジャ１０が支持部３内に挿入されると圧縮し、プランジャ１０が第２の位置５４にあるとき、本体７に力を加えて、本体７を支持部３と接触させて保持する。
【００３０】
図８は、ブラシを可動導電表面と接触させて保持する方法８０の一例を示す。方法８０では、ブラシを可動導電表面上に、またはその付近に配置するステップであって、ブラシに隣接し、ブラシと第１の位置で接触している回転可能な部材によって、ブラシを動かないように固定するステップ（ステップ８１）が求められる。さらに、方法８０では、回転可能な部材を第２の位置に回転させることによって、ブラシを接触から解除するステップであって、解除時に、ブラシに結合されたばねが、ブラシを可動導電表面の方に偏倚させて、ブラシを可動導電表面と接触させて保持するステップ（ステップ８２）が求められる。
【００３１】
ブラシホルダアセンブリ２０は、従来技術のブラシホルダに優る多くの利点を有する。第１の利点は、ピン５を用いてブラシ１を案内していることから、軽量となっている点である。こうした軽量化のため、オペレータはブラシホルダアセンブリを片手で容易に持ち上げて、正確に配置することが可能となる。第２の利点は、ブラシホルダアセンブリ２０を迅速に取り外し、取り付けることができる相互係止機構にある。本体７を支持部３に固定する、または支持部３から外すには、単に手で回すだけでよい。したがって、オペレータが通電している機械１２に手を伸ばす時間量が低減する。第３の利点は、摩耗インディケータ４がブラシホルダアセンブリ２０の一部であり、個々のブラシそれぞれの一部ではなく、したがって交換コストが削減される点である。
【００３２】
ブラシホルダアセンブリ２０の他の利点は、支持部３がブラシ１よりも高い位置にある（すなわち、ブラシ１から離れている）ことに関する。ブラシ１から離して配置することによって、支持部３がブラシ１周囲の空気の移動を妨害することはない。空気の移動が妨害されないため、従来の設計で可能であった冷却よりも高い冷却効果が得られ、従来の設計では、ブラシへの空気の流れを制限する背板が使用されていた。さらに、支持部３をブラシ１から離して配置することによって、より多くのブラシホルダアセンブリ２０を、各集電環１６の円周周囲に取り付けることが可能となり、その理由は、中心から離れると、より多くの空間を利用することが可能となるからである。
【００３３】
実施形態の要素には、冠詞「ａ」または「ａｎ」が付されている。これらの冠詞は、その要素が１つまたは複数あることを意味するものである。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、列挙した要素以外に追加の要素があってもよいように、包括的（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ）なものである。接続詞「または（ｏｒ）」は、少なくとも２つの用語を列挙して使用する場合、いかなる用語または用語の組合せをも意味するものである。用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」および「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」は、要素を区別するために使用するものであり、特定の順序を示すために使用するものではない。用語「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」は、ある構成要素が、別の構成要素に直接結合される、あるいは１つまたは複数の仲介構成要素を介して別の構成要素に間接的に結合されることを表す。
【００３４】
限られた数の実施形態に関してのみ、本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、かかる開示の実施形態のみに限られるものではないことが容易に理解されよう。そうではなく、本発明は、本明細書には記載されていない任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、または同等の構成を組み込むように改変することができるが、これらの形態は、本発明の趣旨および範囲に相当するものである。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は、記載の実施形態のいくつかしか含まなくてもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとみなされるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ、限定されるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１  ブラシ
２  ハンドル
３  支持部
４  摩耗インディケータ
５  ピン
６  ばね
７  本体
８  リンク機構
９  ばね板
１０  プランジャ
１１  プランジャピン
１２  回転電機
１３  固定子
１４  回転子
１５  巻線
１６  集電環
１９  外部電源
２０  ホルダアセンブリ
２１  リップ
５１  第１の開口
５２  第２の開口
５３  第１の位置
５４  第２の位置
５５  傾斜表面
５６  ノッチ
６１  第１のばね板位置
６２  第２のばね板位置
６３  プロング
７０  プランジャばね
８０  方法
【図１】
2011142804.tif 000003
【図２】
2011142804.tif 000004
【図３】
2011142804.tif 000005
【図４】
2011142804.tif 000006
【図５】
2011142804.tif 000007
【図６】
2011142804.tif 000008
【図７】
2011142804.tif 000009
【図８】
2011142804.tif 000010