УГОЛЬНАЯ ЩЕТКА С ОТКЛЮЧАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
CARBON BRUSH WITH DISCONNECTING 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 винтовой (проволочной) пружиной, которая для сокращения общей длины системы отключающего устройства до минимально возможной и для увеличения расходуемой на износ длины тела щетки 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. По этой причине подобный нажимной упругий элемент имеет относительно большую осевую длину. Вследствие этого у тела щетки остается малая полезная расходуемая на износ длина, которая определяется отношением теоретически возможной расходуемой на износ длины угольной щетки к длине отключающего устройства. Малая  расходуемая на износ длина в качестве фактической полезной длины тела щетки требует ранней замены угольных щеток при превышении ими допустимой расходуемой на износ длины. Еще один недостаток состоит в том, что цилиндрические винтовые пружины в качестве нажимных упругих элементов обладают малой изгибной жесткостью. В процессе отключения, когда нажимной упругий элемент уже приподнял тело щетки 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 винтовой пружины и к вырыванию отключающего элемента из полости тела щетки вследствие такого значительного перекоса.
Краткое изложение сущности изобретения
Преимущество предлагаемой в изобретении угольной щетки с отключающим устройством состоит в увеличении расходуемой на износ длины тела щетки при той же его общей длине благодаря уменьшению длины отключающего устройства. Достигается подобный эффект преимущественно за счет уменьшения осевой длины нажимного упругого элемента. В результате уменьшается длина всего отключающего устройства как системы в целом. В результате обеспечиваются экономические преимущества и для пользователя, и для изготовителя электродвигателей, а также электроприборов бытового, ремесленного или иного назначения, в которых используются электродвигатели с предлагаемыми в изобретении угольными щетками. Благодаря увеличению полезной расходуемой на износ длины угольной щетки увеличивается время, в течение которого пользователь может эксплуатировать электроприбор до момента его контролируемого отключения при срабатывании отключающего устройства. Тем самым сокращается периодичность необходимого технического обслуживания электроприбора и увеличивается продолжительность его эксплуатации до момента его отключения. Помимо этого, исключаются простои, обусловленные необходимостью замены угольных щеток. Вследствие этого удается увеличить общую продолжительность эксплуатации электроприбора. Пользователь же электроприбора может со своей стороны рассчитывать на его более длительную надежную работу. Еще одно преимущество состоит в сокращении расходов на запасные угольные щетки, поскольку на протяжении всего срока службы электроприбора требуется меньшее количество таких запасных частей к нему. Предлагаемое в изобретении решение позволяет 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 образован по меньшей мере одной пружиной с несколькими витками, которые по меньшей мере в предварительно сжатом состоянии пружины по меньшей мере частично расположены внутри друг друга с ее укорочением. Благодаря расположению витков пружины внутри друг друга уменьшается длина нажимного упругого элемента и повышается его компактность, а также возрастает его изгибная жесткость, вследствие чего нажимной упругий элемент способен эффективнее воспринимать поперечные силы без своей чрезмерной деформации.
В качестве предпочтительного можно также рассматривать, например, вариант, в котором витки пружины имеют ступенчато или непрерывно уменьшающийся в осевом направлении диаметр, при этом меньшие витки пружины по меньшей мере частично расположены внутри ее следующих больших витков с ее укорочением. Реализовать данный вариант можно, например, в том случае, когда нажимной упругий элемент образован винтовой проволочной пружиной с навитыми в виде конуса или двойного конуса витками. Благодаря утапливанию меньших витков в непрерывно увеличивающиеся витки конуса, форму которого имеет пружина, уменьшается потребное монтажное пространство и тем самым уменьшается осевая длина отключающего устройства с одновременным увеличением расходуемой на износ длины тела щетки при той же его общей длине. Нажимные упругие элементы, выполненные в виде одно- или двухконусных винтовых (проволочных) пружин, просты и имеют низкую стоимость. Такие пружины широко представлены на рынке в виде серийно выпускаемых стандартных деталей.
В еще одном возможном предпочтительном варианте нажимной упругий элемент образован по меньшей мере одной конической листовой (витой) пружиной, которая намотана из поставленного на ребро плоского материала. Подобные конические листовые пружины известны также под названием "эволютные пружины" и равным образом представляют собой широко представленные на рынке стандартные детали малой стоимости. У подобной конической листовой пружины в ее предварительно сжатом состоянии витки ленты расположены по меньшей мере в основном спирально внутри друг друга, при этом длина такой конической листовой пружины уменьшена, когда она полностью сжата, примерно до ширины навитого плоского материала или ленты. Коническая листовая пружина может быть выполнена одноконусной или двухконусной. Она является исключительно компактной и обладает преимуществом высокой изгибной жесткости, благодаря которой она способна выдерживать даже высокие поперечные силы без существенного своего перекоса.
В еще одном возможном предпочтительном варианте полость, в которой расположены нажимной упругий элемент и отключающий элемент, закрыта на одном конце разделительной дисковидной вставкой, поверх которой расположена набивная заглушка из металлических порошковых материалов. Благодаря этому обеспечивается надежное осевое опирание нажимного упругого элемента. Разделительная дисковидная вставка предотвращает в процессе набивки металлического порошка возможность его проникновения в зону расположения нажимного упругого элемента, что в противном случае могло бы создать помехи в процессе отключения угольной щетки.
В еще одном возможном предпочтительном варианте полость имеет на своем конце в зоне набивной заглушки выемку, диаметр которой больше диаметра остальной части полости и в которой расположены разделительная дисковидная вставка, а также набивная заглушка с увеличенной окружной поверхностью и уменьшенной осевой толщиной. Предусмотренная для фиксации нажимного упругого элемента набивная заглушка должна для своего надежного закрепления в теле щетки иметь окружную поверхность определенной площади, что достигается путем увеличения диаметра набивной заглушки. Благодаря этому появляется возможность уменьшить осевой размер набивной заглушки, а  тем самым и общую длину отключающего устройства, в результате чего дополнительно увеличивается полезная расходуемая на износ длина.
В еще одном возможном предпочтительном варианте осевые концы нажимного упругого элемента выполнены в виде гладких опорных поверхностей для прилегания по плоскости к отключающему элементу на одном конце и к разделительной дисковидной вставке на другом конце. Такие гладкие опорные поверхности можно получить простым путем сошлифовыванием концов нажимного упругого элемента. Благодаря этому удается дополнительно уменьшить длину пружины. При этом сокращается длина пружины в ее сжатом в блок состоянии без изменения ее характеристики. Помимо этого, благодаря наличию точно определенных опорных поверхностей у пружины, которыми она прилегает к отключающему элементу с одной стороны и к разделительной дисковидной вставке с другой стороны, дополнительно повышается эксплуатационная надежность отключающего устройства, поскольку вследствие этого улучшается направление отключающего элемента.
Нажимной упругий элемент в предпочтительном варианте выполнен из металла, прежде всего из пружинной стали.
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 аксонометрии нажимного упругого элемента, изображенного на фиг. 1 и 2,
на фиг. 4 - 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. 5 - схематичный вид в разрезе изображенной на фиг. 4 угольной щетки при разжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 6 - схематичный вид в разрезе части угольной щетки с отключающим устройством согласно третьему варианту осуществления изобретения,
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. 8 - схематичный вид в разрезе изображенной на фиг. 7 угольной щетки при разжатом нажимном упругом элементе,
на фиг. 9 - вид в аксонометрии нажимного упругого элемента, изображенного на фиг. 7 и 8, и
на фиг. 10 - вид в аксонометрии нажимного упругого элемента согласно пятому варианту осуществления изобретения.
На фиг. 1-3 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 их тела 11, которое выполнено из графита и в которое обычно запрессован или с которым иным образом соединен электрический контактный вывод. Необходимое прижимное усилие, с которым тело 11 щетки 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. Тело 11 щетки выполнено 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 тело 11 щетки. 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 тело 11 щетки показано 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 оставшееся тело 11 щетки в направлении стрелки 16 от коллектора, вследствие чего прерывается прохождение тока, а электродвигатель затем контролируемо выключается. Для обеспечения надежного выключения электродвигателя тело 11 щетки должно 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 отключающего устройства 20 как системы в целом остается сравнительно малая расходуемая на износ длина в качестве фактической полезной длины. Данным фактором обусловлена необходимость ранней замены угольных щеток 10 в том случае, когда ими превышена допустимая расходуемая на износ длина.
У предлагаемой в изобретении угольной щетки 10 с отключающим устройством 20 согласно первому варианту ее выполнения большая расходуемая на износ длина при той же длине тела 11 щетки достигается благодаря тому, что нажимной упругий элемент 24 вместе с отключающим элементом 21 выполнен в виде короткой детали с малой осевой длиной, о наличии которой можно судить в сжатом состоянии нажимного упругого элемента 24, в котором он показан на фиг. 1. Нажимной упругий элемент 24 образован при этом по меньшей мере одной пружиной с несколькими витками 26, 27, 28 и другими, которые по меньшей мере в предварительно сжатом состоянии нажимного упругого элемента 24, в котором он показан на фиг. 1, по меньшей мере частично расположены внутри друг друга с обеспечением тем самым его укорочения. Из приведенного на фиг. 1 изображения следует, что, например, наименьший виток 26 пружины располагается внутри ее следующего большего витка. Благодаря по меньшей мере частичному расположению отдельных витков 26-28 и других внутри друг друга в предварительно сжатом состоянии нажимного упругого элемента 24 достигается его укорочение и, как следствие, достигается увеличение полезной расходуемой на износ длины угольной щетки 10. В результате этого увеличивается время, в течение которого пользователь может эксплуатировать электроприбор до момента его контролируемого отключения при срабатывании отключающего устройства 20. Тем самым сокращается периодичность технического обслуживания электроприбора и увеличивается продолжительность его эксплуатации до момента его отключения. Помимо этого. исключаются простои, обусловленные необходимостью замены угольных щеток, благодаря чему возрастает общая продолжительность эксплуатации электроприбора. Еще одно преимущество состоит в сокращении расходов на запасные угольные щетки, поскольку на протяжении всего срока службы электроприбора требуется меньшее количество таких запасных частей к нему. Тем самым благодаря достигнутому уменьшению длины отключающего устройства 20 как системы в целом обеспечиваются экономические преимущества и для изготовителя электроприбора, и для его пользователя.
В показанном на фиг. 1-3 первом варианте отдельные витки 26-28 пружины и другие ее витки имеют ступенчато или непрерывно уменьшающийся в осевом направлении диаметр, при этом меньшие витки по меньшей мере частично располагаются внутри следующих больших витков с уменьшением в результате осевой длины нажимного упругого элемента 24. В данном показанном на фиг. 1-3 варианте нажимной упругий элемент 24 выполнен в виде винтовой проволочной пружины, у которой ее витки 26-28 и другие навиты в виде конуса и которая представляет собой одноконусную пружину 25.
В показанном на фиг. 4 и 5 втором варианте остающиеся неизменными детали и элементы обозначены теми же позициями, что и в первом варианте, и поэтому в отношении таких деталей и элементов можно сослаться на описание первого варианта. Второй вариант отличается от первого варианта тем, что пружина 25 имеет навитые в виде двойного конуса витки таким образом, что ее верхняя на фиг. 4 и 5 часть навита в виде конуса аналогично пружине 25 в показанном на фиг. 1-3 варианте, а в осевом направлении к этой части примыкает выполненная за одно целое с ней и навитая в виде перевернутого по отношению к ней конуса часть, которая в соответствие с расположением витков пружины на фиг. 4 и 5 примерно конически сужается кверху, тогда как верхняя часть пружины примерно конически сужается книзу.
В показанном на фиг. 6 варианте нажимной упругий элемент 24 своим концом, который обращен от не показанного на чертеже отключающего элемента 21 и на котором пружина 25 имеет наибольший в диаметре виток 28, расположен в увеличенной в диаметре выемке 17 тела 11 щетки с опорой на образуемый этой выемкой уступ и таким путем зафиксирован от выпадения в направлении, противоположном стрелке 16. В выемке 17 расположены также разделительная дисковидная вставка 13 и набивная заглушка 14. По причине большего диаметра выточки 17, а тем самым и набивной заглушки 14 последняя имеет увеличенную окружную поверхность и поэтому, несмотря на свою уменьшенную осевую толщину, надежно закреплена в теле 11 щетки. Благодаря уменьшенной осевой толщине набивной заглушки 14 дополнительно уменьшается общая длина отключающего устройства 20, а возможная расходуемая на износ длина тем самым дополнительно увеличивается.
В показанном на фиг. 1-3 первом варианте осевые концы 29 и 30 нажимного упругого элемента 24 выполнены в виде гладких опорных поверхностей для прилегания по плоскости к отключающему элементу 21 на одном конце и к разделительной дисковидной вставке 13 на другом конце. Для образования таких гладких опорных поверхностей пружина 25, например, сошлифована на обоих своих концах. В результате сошлифовывания концов пружины 25 достигается дальнейшее уменьшение ее длины и тем самым сокращение ее длины в сжатом в блок состоянии без изменения при этом ее характеристики. Еще одно преимущество состоит далее в образовании точнее определенных опорных поверхностей у пружины 25, которыми она прилегает к отключающему элементу 21 и к разделительной дисковидной вставке 13, и в повышении тем самым эксплуатационной надежности всей системы, поскольку благодаря этому улучшается направление отключающего элемента 21.
В других вариантах, например в вариантах, показанных на фиг. 4-6, осевые концы нажимного упругого элемента 24, прежде всего пружины 25, также могут быть снабжены, например, путем сошлифовывания соответствующими гладкими опорными поверхностями для прилегания по плоскости к соответствующим элементам.
В показанном на фиг. 7-9 четвертом варианте остающиеся неизменными детали и элементы также обозначены теми же позициями, что и в предыдущих вариантах, и поэтому в отношении таких деталей и элементов можно сослаться на описание предыдущих вариантов.
В четвертом варианте нажимной упругий элемент 24 образован по меньшей мере одной конической листовой пружиной 35, называемой также эволютной пружиной. Такая коническая листовая пружина 35 намотана из поставленного на ребро плоского материала (металла) или ленты 36. Отдельные витки такой пружины в ее предварительно сжатом состоянии, показанном на фиг. 7, расположены по меньшей мере в основном спирально внутри друг друга, вследствие чего пружина имеет укороченную примерно до ширины плоского материала, соответственно ленты 36, длину. В показанном на фиг. 7 и 8 варианте коническая листовая пружина 35 расположена таким образом, что ее больший в диаметре конец 30 прилегает к разделительной дисковидной вставке 13, тогда как в разжатом состоянии нижний, меньший в диаметре, конец 29 пружины охватывает стержневидный выступ 23 отключающего элемента 21 и прилегает в осевом направлении к головке 22. В показанном на фиг. 1-3 первом варианте предусмотренная в нем пружина 25 установлена таким же образом. Связанное с этим преимущество состоит в надежном и точном направлении и удержании отключающего элемента 21 при его срабатывании пружиной 25, соответственно конической листовой пружиной 35, с учетом действующих на нее поперечных сил. Очевидно, что при использовании конической листовой пружины 35 в показанном на фиг. 7-9 варианте благодаря вхождению витков полосы 36 внутрь друг друга обеспечивается исключительно высокая компактность нажимного упругого элемента 24, имеющего минимально возможную осевую длину при одновременно высоком развиваемом им усилии. Коническая листовая пружина 35 характеризуется высокой изгибной жесткостью, обеспечивающей надежное направление отключающего элемента 21 в разжатом состоянии, показанном на фиг. 8, поскольку даже в таком состоянии витки полосы все еще находятся внутри друг друга и радиально опираются друг на друга, взаимно воспринимая поперечные силы. Наличие высокой изгибной жесткости имеет существенное значение, поскольку в процессе отключения, когда нажимной упругий элемент 24 уже приподнял тело 11 щетки и разомкнул тем самым электрическую цепь, электродвигатель продолжает вращаться по инерции, при этом такое вращение вхолостую по инерции у машин без торможения может длиться от 5 до 15 с. На протяжении этого времени на нажимной упругий элемент 24 из-за контакта отключающего элемента 21 с вращающимся коллектором воздействуют поперечные силы, которые могут привести к вырыванию отключающего элемента 21 из полости тела щетки вследствие значительного перекоса. В четвертом варианте возникновению подобного эффекта препятствует коническая листовая пружина 35, которая благодаря своей высокой изгибной жесткости предотвращает вырывание отключающего элемента 21 из полости тела щетки под действием возникающих при вращении электродвигателя по инерции поперечных сил, поскольку отдельные витки конической листовой пружины 35 противодействуют ее возможному более существенному перекосу под действием поперечных сил и стабилизируют ее. Еще одно преимущество состоит в том, что нажимной упругий элемент 24 в подобном его исполнении имеет простую конструкцию и обладает низкой стоимостью, а также занимает мало места внутри полости 12. В результате утапливания меньших витков в непрерывно увеличивающиеся витки конической листовой пружины 35, навитой в виде одинарного конуса, достигается существенное сокращение конструктивной длины в предварительно сжатом состоянии этой пружины, показанном на фиг. 7.
В показанном на фиг. 10 пятом варианте в отличие от показанного на фиг. 7-9 варианта коническая листовая пружина 35 выполнена двухконусной. Такая коническая листовая пружина 35 установлена в полости 12 таким образом, что одна ее коническая часть на фиг. 7 и 8 сужается кверху, тогда как ее вторая коническая часть сужается книзу в направлении отключающего элемента 21 аналогично показанной на фиг. 7 и 8 конической листовой пружине 35, которая выполнена одноконусной.
Во всех рассмотренных выше вариантах по меньшей мере один нажимной упругий элемент 24 выполнен из металла, прежде всего из пружинной стали. При выборе отдельного типа нажимного упругого элемента 24 можно отчасти использовать имеющиеся в продаже детали и благодаря этому снизить затраты на нажимной  упругий элемент 24.