УГОЛЬНАЯ ЩЕТКА С ОТКЛЮЧАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
COAL BRUSH WITH TRIPPING DEVICE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к угольной щетке с отключающим устройством согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.
Угольные щетки такого типа известны (DE 1679529 U1) и имеют работающий на сжатие нажимной упругий элемент, который образован цилиндрической витой пружиной, которая выполнена из пружинной стали и которая для сокращения общей длины системы отключающего устройства до минимально возможной и для увеличения расходуемой на износ длины щеточного элемента до максимально возможной допускает возможность своего предварительного сжатия максимум до такого состояния, в котором цилиндрические витки пружины прилегают друг к другу, а сама она предварительно сжата до блока. Данным фактором определяется максимально полезная расходуемая на износ длина щеточного элемента, которая вытекает из отношения теоретически возможной расходуемой на износ длины угольной щетки к длине отключающего устройства. Малая расходуемая на износ длина в качестве фактической полезной длины щеточного элемента требует ранней замены угольных щеток при превышении ими допустимой расходуемой на износ длины. Цилиндрические витые пружины из металла в качестве нажимных упругих элементов дороги и могут приходить в негодность, например разламываться. Они обладают малой изгибной жесткостью. В процессе отключения, когда нажимной упругий элемент уже приподнял щеточный элемент от коллектора электродвигателя и разомкнул электрическую цепь, электродвигатель продолжает вращаться по инерции. Такое вращение вхолостую по инерции у машин без торможения может длиться от 5 до 15 с. На протяжении этого времени на нажимной упругий элемент из-за контакта отключающего элемента с вращающимся коллектором воздействуют поперечные силы, которые могут привести к значительному перекосу цилиндрической витой пружины с ее поломкой и к вырыванию отключающего элемента из полости щеточного элемента вследствие такого значительного перекоса. В обоих случаях не исключена возможность повреждений коллектора вплоть до полного разрушения электродвигателя.
Краткое изложение сущности изобретения
Преимущество предлагаемой в изобретении угольной щетки с отключающим устройством состоит в снижении затрат на ее изготовление благодаря применению полимерного материала, а также в возможности достижения укороченной, компактной конструкции отключающего устройства. Преимущество полимерного материала состоит далее в большей легкости формования из него изделий различных конфигураций. Благодаря этому создаются далее предпосылки к возможности изготовления двух деталей - нажимного упругого элемента и отключающего элемента - в виде цельного компонента. При таком цельном выполнении возможно также использование различных полимерных материалов для изготовления нажимного упругого элемента, с одной стороны, и отключающего элемента, с другой стороны, при этом изготовление отключающего устройства возможно также методом двухкомпонентного литья под давлением. Поскольку полимерный материал благодаря своим упругим свойствам при изготовлении из него изделия соответствующей конфигурации обладает уплотняющим действием, при определенных условиях можно отказаться от применения располагаемой с верхней стороны разделительной дисковидной вставки, которая в противном случае необходима при использовании металлических пружин во избежание попадания металлического порошка при его набивке в полость щеточного элемента, что может привести к блокированию установленной в ней металлической пружины.
Соответствующее выполнение нажимного упругого элемента из полимерного материала позволяет также повысить его изгибную жесткость по сравнению с цилиндрическими металлическими витыми пружинами, вследствие чего нажимной упругий элемент способен также выдерживать высокие поперечные силы без более или менее значительного своего перекоса, благодаря чему в свою очередь удается надежно исключить повреждения коллектора электродвигателя, угольных щеток и других деталей электроприбора и избежать обусловленных этим затрат на ремонт.
Благодаря представленным в зависимых пунктах формулы изобретения мерам возможны различные предпочтительные модификации и усовершенствования заявленной в п. 1 угольной щетки.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения угольной щетки нажимной упругий элемент выполнен из термопласта. При этом нажимной упругий элемент и отключающий элемент могут быть также объединены в одну цельную деталь из полимерного материала. Подобный цельный компонент в качестве отключающего устройства имеет особо простую конструкцию и малую стоимость. В зависимости от конструктивного исполнения отключающего устройства возможно сохранение малым его осевого размера и благодаря этому возможно дальнейшее увеличение полезной расходуемой на износ длины угольной щетки со всеми вытекающими отсюда преимуществами.
В другом предпочтительном варианте нажимной упругий элемент выполнен из эластомера. В этом случае также может оказаться предпочтительным выполнять нажимной упругий элемент и отключающий элемент в виде цельного компонента.
В еще одном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент образован по меньшей мере одной пружиной из полимерного материала. Такая пружина при этом может быть, например, выполнена в виде сильфона или иметь витки. В последнем случае может оказаться предпочтительным, чтобы витки пружины в ее предварительно сжатом состоянии по меньшей мере частично располагались внутри друг друга с обеспечением тем самым ее укорочения. Благодаря этому удается добиться укорочения зоны нажимного упругого элемента в его предварительно сжатом состоянии, вследствие чего достигается увеличение полезной расходуемой на износ длины угольной щетки. Очевидно, что нажимной упругий элемент и при таком его выполнении может быть объединен с отключающим элементом из полимерного материала в одну цельную деталь. Возможно также использование разных материалов для изготовления той части цельного компонента, которая образует нажимной упругий элемент, и изготовления другой его, образующей отключающий элемент части, при этом подобный цельный компонент можно изготавливать методом двухкомпонентного литья под давлением.
В еще одном возможном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент закрывает конец полости щеточного элемента с ее уплотнением от проникновения в нее материала набивной заглушки, располагаемой над этим нажимным упругим элементом. Благодаря этому можно отказаться от применения отдельной разделительной дисковидной вставки. Исключение разделительной дисковидной вставки позволяет уменьшить осевые размеры отключающего устройства, а также сократить затраты на его изготовление. Благодаря этому отключающее устройство становится еще компактнее. Для уплотнения полости щеточного элемента от проникновения в нее металлического порошка в процессе его набивки используется уплотняющее действие полимерного материала.
В еще одном возможном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент образован пенопластовым элементом. Подобный элемент выполнен из вспененной пластмассы и обладает достаточно высокой упругостью. Нажимной упругий элемент может быть при этом выполнен, например, из упруго сжимаемого пенополиуретана и представлять собой при выполнении в виде цельного компонента примерно цилиндрический элемент, который выполняет функцию своего рода пружинного буфера и который на своем нижнем конце при цельном выполнении имеет часть, которая при выполнении отключающего устройства из двух частей представляет собой его отключающий элемент. Таким путем достигается существенное упрощение всей конструкции. Количество необходимых компонентов отключающего устройства сокращается до такого единственного цельного пенопластового элемента, который благодаря своим уплотняющим свойствам делает также излишним применение разделительной дисковидной вставки под набивной заглушкой. В полости щеточного элемента в этом случае находится только пенопластовый элемент, при этом сама полость на открытом конце закрыта набивной заглушкой, которая воспринимает опорные усилия пенопластового элемента.
В еще одном возможном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент индивидуально или в виде цельного с отключающим элементом компонента выполнен в виде пустотелого или полнотелого элемента.
В еще одном возможном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент имеет на одном своем конце выполненное за одно целое с ним цилиндрическое продолжение, которое в виде запрессованной детали запрессовано в полость щеточного элемента и герметично и прочно удерживается в ней по прессовой посадке. В соответствии с этим упругие свойства полимерного материала используются не только для уплотнения полости щеточного элемента, но и для запрессовки в эту полость, благодаря чему нажимной упругий элемент оказывается настолько прочно соединен со щеточным элементом по прессовой посадке при дополнительном уплотнении его полости, что таким соединением по прессовой посадке воспринимаются также опорные усилия нажимного упругого элемента.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.
На этих чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг. 1 - схематичный вид в разрезе с частичным видом сбоку угольной щетки с отключающим устройством согласно первому варианту осуществления изобретения при сжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 2 - схематичный вид в разрезе изображенной на фиг. 1 угольной щетки при разжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 3 - схематичный вид в разрезе с частичным видом сбоку части угольной щетки с отключающим устройством согласно второму варианту осуществления изобретения при сжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 4 - схематичный вид в разрезе изображенной на фиг. 3 угольной щетки при разжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 5 - схематичный вид в разрезе с частичным видом сбоку части угольной щетки с отключающим устройством согласно третьему варианту осуществления изобретения при сжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 6 - схематичный вид в разрезе изображенной на фиг. 5 угольной щетки при разжатом нажимном упругом элементе и
на фиг. 7 - схематичный вид в разрезе с частичным видом сбоку части угольной щетки с отключающим устройством согласно четвертому варианту осуществления изобретения при сжатом нажимном упругом элементе.
На фиг. 1 и 2 показана выполненная по первому варианту угольная щетка 10 с отключающим устройством 20. Угольные щетки 10 такого типа обеспечивают известным образом электрический контакт с коллектором электродвигателей, используемых, например, в электроприборах бытового или ремесленного назначения, прежде всего также в электрических ручных машинах. Подобные угольные щетки 10 состоят из щеточного элемента 11, который выполнен из графита и в который обычно запрессован или с которым иным образом соединен электрический контактный вывод. Необходимое прижимное усилие, с которым щеточный элемент 11 прижимается к коллектору электродвигателя, создается упругим элементом в виде, например, спиральной пружины (ЕР 0937320 В1).
Отключающее устройство 20 предназначено для защиты коллектора электродвигателя от механических повреждений или от обгорания после износа угольных щеток. Отключающее устройство 20 имеет отключающий элемент 21 из электроизоляционного материала, выполненный в виде пальца или отключающего ниппеля. В показанном на чертеже первом варианте отключающий элемент 21 имеет закругленную головку 22 с тыльным стержневидным выступом 23. Помимо этого предусмотрен предварительно сжатый нажимной упругий элемент 24, который работает на сжатие и упруго нагружает отключающий элемент 21 вниз в плоскости чертежа по фиг. 1 и который одним своим концом воздействует на отключающий элемент 21.
Щеточный элемент 11 выполнен с, например, цилиндрической полостью 12, в которой удерживаются нажимной упругий элемент 24 и отключающий элемент 21. Такая полость 12 на своем верхнем в плоскости чертежа по фиг. 1 конце закрыта разделительной дисковидной вставкой (или дисковидной перегородкой) 13, на которую опирается нажимной упругий элемент 24 и сверху которой предусмотрена так называемая набивная заглушка 14 из металлических порошковых материалов, которой воспринимаются опорные усилия нажимного упругого элемента 24 и передаются на щеточный элемент 11. Разделительная дисковидная вставка 13 предотвращает в процессе набивки металлического порошка возможность его проникновения в полость 12, а тем самым и в зону расположения нажимного упругого элемента 24, что в противном случае могло бы создать помехи в процессе отключения угольной щетки.
На фиг. 1 отключающее устройство 20 показано в сжатом состоянии нажимного упругого элемента 24, при этом щеточный элемент 11 показан не целиком на свою полную длину, а лишь частично.
По причине неизбежного срабатывания материала угольной щетки вследствие контакта между ней и не показанным на чертеже коллектором ротора электродвигателя происходит износ угольной щетки 10, а именно в ее концевой части, противоположной концу, на котором расположено отключающее устройство 20. После полного истирания угольной щетки 10 в процессе работы электродвигателя отключающий элемент 21 проламывает находящийся в соседней с ним зоне 15 материал угольной щетки 10 и под действием нажимного упругого элемента 24 приходит в соприкосновение с коллектором. В результате этого отключающий элемент 21 посредством разжимающегося нажимного упругого элемента 24 отжимает оставшийся щеточный элемент 11 в направлении стрелки 16 от коллектора, вследствие чего прерывается прохождение тока, а электродвигатель затем контролируемо выключается.
Для обеспечения надежного выключения электродвигателя щеточный элемент 11 должен приподниматься от коллектора, например, на по меньшей мере 1 мм. Соблюдение этого условия возможно благодаря соответствующему предварительному сжатию нажимного упругого элемента 24, который должен при этом обеспечивать развитие требуемого упругого усилия на протяжении всего своего необходимого рабочего хода. Благодаря такому действию отключающего устройства 20 исключаются повреждения коллектора ротора электродвигателя, и поэтому пользователю, соответственно работнику сервисной мастерской, требуется лишь заменить изношенные угольные щетки 10 на неиспользованные новые.
Очевидно, что отдельные компоненты отключающего устройства 20, т.е. отключающий элемент 21, нажимной упругий элемент 24, разделительная дисковидная вставка 13 и набивная заглушка 14, обуславливают наличие у всей системы некоторой общей длины и определяют полезную расходуемую на износ длину угольной щетки 10, т.е. ее полезный ход до предельно допустимого износа. Общая длина угольной щетки 10 обычно задается конструкцией электроприбора, и поэтому при соответствующей общей длине системы отключающего устройства 20 остальная расходуемая на износ длина остается в качестве фактической полезной длины. При превышении этой расходуемой на износ длины необходима замена угольных щеток 10.
Нажимной упругий элемент 24 согласно первому варианту и согласно изобретению выполнен из полимерного материала и обладает упругостью. Нажимной упругий элемент выполнен, например, из эластомера. При этом нажимной упругий элемент 24 имеет вид пружины 25, которая выполнена, например, в виде сильфона 26 и имеет гофрированную стенку 27, в результате чего образуются реброобразные выступы, которые относительно продольной средней оси проходят либо примерно кольцеобразно и параллельно друг другу, либо по винтовой линии. Пружина 25 выполнена, например, в виде пустотелого элемента. На нижнем в плоскости чертежа конце этого нажимного упругого элемента 24 закреплен отключающий элемент 21. Верхний конец полости 12 закрыт разделительной дисковидной вставкой 13, над которой предусмотрена набивная заглушка 14. Выполнение нажимного упругого элемента 24 из полимерного материала позволяет благодаря его уплотняющему действию отказаться от применения разделительной дисковидной вставки 13 и использовать верхний конец нажимного упругого элемента 24 непосредственно в качестве уплотняющего элемента. В том случае, если на верхнем конце нажимного упругого элемента 24 прежде всего за одно целое с ним выполнено цилиндрическое продолжение, нажимной упругий элемент 24 можно этим его продолжением запрессовывать сверху в полость 12. Продолжение имеет при этом такие размеры, что оно по прессовой посадке удерживается в полости 12 и таким путем заменяет собой набивную заглушку 14, благодаря чему достигается дальнейшее упрощение всей конструкции.
Отключающий элемент 21 может быть выполнен из изоляционного, соответственно диэлектрического материала, прежде всего из полимерного материала, например, армированного волокном полимерного материала.
В другом, не показанном на чертежах и особенно предпочтительном варианте нажимной упругий элемент 24 и отключающий элемент 21, изображенные на фиг. 1 и 2, объединены в одну цельную деталь из полимерного материала. Данный вариант особенно предпочтителен с точки зрения осевых размеров, а также с точки зрения затрат, поскольку цельный элемент 21, 24 особо экономичен и поскольку тем самым сокращается также количество отдельных необходимых компонентов отключающего устройства 20. При таком цельном выполнении возможно также изготовление подобной цельной детали 21, 24 из разных полимерных материалов методом двухкомпонентного литья под давлением. При выполнении в виде сильфона 26 нажимной упругий элемент 24 представляет собой пустотелый элемент. Очевидно, что исходя из профессиональных знаний возможны и иные варианты с выполнением нажимного упругого элемента 24 и/или отключающего элемента 21 из полимерного материала.
В показанном на фиг. 3 и 4 втором варианте нажимной упругий элемент 24 также выполнен из полимерного материала и обладает упругостью. Он может быть выполнен из термопласта. Нажимной упругий элемент 24 выполнен в виде примерно цилиндрической витой пружины 25 с несколькими витками 28, 29, 30, которые проходят по винтовой линии. Вместо этого нажимной упругий элемент 24, показанный на фиг. 3 и 4, может также иметь витки, которые по меньшей мере в предварительно сжатом состоянии нажимного упругого элемента 24 по меньшей мере частично расположены внутри друг друга с обеспечением тем самым его укорочения. На фиг. 3 и 4 на верхнем конце полости 12 показана разделительная дисковидная вставка 13, которая необходима в том случае, когда пружина 25 из-за своей обусловленной ее материалом уплотняющей способности не способна обеспечить уплотнение полости 12 от проникновения в нее материала набивной заглушки 14.
Нажимной упругий элемент 24 и отключающий элемент 21 объединены в одну цельную деталь из полимерного материала и тем самым представляют собой цельный компонент отключающего устройства 20. Полимерный материал такого цельного компонента 21, 24 является электроизоляционным, соответственно диэлектрическим и поэтому наиболее пригоден для такого цельного выполнения отключающего элемента 21 и нажимного упругого элемента 24. В данном варианте пружина 25 также может в качестве замены разделительной дисковидной вставки 13 и набивной заглушки 14 иметь на своем верхнем конце уплотняющее цилиндрическое, выполненное за одно целое с ней продолжение, которое в виде запрессованной детали герметично и прочно запрессовано в полость 12 и уплотняет ее, а также воспринимает опорное усилие пружины 25.
В показанном на фиг. 5 и 6 третьем варианте отключающий элемент 21 и нажимной упругий элемент 24 также объединены в одну цельную деталь из полимерного материала, при этом такой цельный компонент в данном случае представляет собой пенопластовый элемент, например, из упруго сжимаемого пенополиуретана. Подобный цельный компонент, объединяющий в себе отключающий элемент 21 и нажимной упругий элемент 24, может быть выполнен в виде пустотелого или полнотелого элемента. Из приведенных на фиг. 5 и 6 изображений следует, что в данном варианте разделительная дисковидная вставка 13 отсутствует. Конец полости 12 уплотнен цельным компонентом 21, 24 из полимерного материала благодаря наличию у него обусловленных им самим уплотняющих свойств.
Показанный на фиг. 7 четвертый вариант отличается от показанного на фиг. 5 и 6 варианта тем, что нажимной упругий элемент 24 на своем верхнем в плоскости чертежа конце имеет выполненное за одно целое с ним цилиндрическое продолжение 31, которое в виде запрессованной детали запрессовано в полость 12. Тем самым, с одной стороны, обеспечивается уплотнение, соответственно герметизация этой полости, а с другой стороны, достигается надежное закрепление нажимного упругого элемента 24 в щеточном элементе 11 благодаря прессовой посадке, воспринимающей опорные усилия. Набивная заглушка 14 становится при этом излишней. Отключающее устройство 20 благодаря этому имеет особо простую конструкцию, поскольку количество образующих его деталей уменьшено до единственной детали, которую требуется вставить в полость 12.
Изготовление нажимного упругого элемента 24 и отключающего элемента 21 из полимерного материала и их выполнение при этом, например, в особенно предпочтительном варианте в виде цельного компонента позволяют значительно сократить количество необходимых компонентов отключающего устройства 20. Благодаря этому удается существенно упростить отключающее устройство 20, придать ему компактность и удешевить его изготовление.