JP5105838B2

JP5105838B2 - 給電装置

Info

Publication number: JP5105838B2
Application number: JP2006318612A
Authority: JP
Inventors: 真一井上
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2008136270A

Description

本発明は、工作機械、輸送機械、建設機械、ロボット、その他産業機械の固定部と回転部との間で電気の授受を行う給電装置に関する。

固定部と回転部との間で電力や電気信号の授受を行う装置として、スリップリングがある。一般的なスリップリングは、回転子の外周面に対して半径方向から円柱状又は角柱状のブラシ（給電子）が押圧され、回転子とブラシとのすべり接触によって通電される。また、リング状の給電子とリング状の集電子との間の接触面を円錐面に形成したスリップリングが特許文献１に開示されている。これは、接触面を円錐面に形成したため円柱面に形成した場合に比べて接触面積が大きくなるというものである。また、回転部に一端を固定された円弧状のブラシが、円筒形の固定部の内壁に接触するスリップリングが特許文献２に開示されている。これは、回転部の遠心力により円弧状のブラシが変形し、接触面積が増大するというものである。また、回転側電極と固定側電極との間に導電性金属材料からなるコロを介在させた回転電気コネクタが特許文献３に開示されている。これは、摩擦熱の発生や摩耗を防止し、回転トルクを小さくできるというものである。

特開２００３−４５６００号公報特開昭５８−８５２８７号公報特開平１０−２２３３４６号公報

本発明は、工作機械、輸送機械、建設機械、ロボット、その他産業機械において、回転構造の内側に電動機を有する場合、電動機を駆動する電力を回転構造を通して外側から供給するための該回転構造に組み込む給電装置を主な用途にしている。従って供給する電圧は１００ボルト以上、電流は数十アンペア以上の単相交流、三相交流又は直流を対象にしている。このような高電力の給電装置の適用例として、主軸頭がＡ軸及びＣ軸の回転送り軸を有している５軸工作機械がある。コラム内を上下移動する主軸台にＣ軸回転可能なＡ軸台が設けられ、Ａ軸台にＡ軸回転可能な主軸頭が設けられ主軸頭内にビルトインモータを有した主軸が回転可能に設けられ、主軸先端に装着された工具とテーブルに設けられたワークとがＸ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃ軸方向の相対運動を行ってワークを加工する周知の工作機械である。

外部からまずＣ軸回転構造部分に設けた第１の給電装置でビルトインモータ及びＡ軸モータへの電力を供給する。そしてＡ軸回転構造部分に設けた第２の給電装置で、更にビルトインモータへの電力を供給する。第１、第２の給電装置を通る電力は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、アースの各極線を有した例えば４００ボルト、２００アンペアの３相交流の電力であり、第１の給電装置では計８極、第２の給電装置では計４極の極数を必要とする。尚、第１、第２の給電装置の回転部分の回転速度は２０〜３０回転／分である。

このような高電力、多極の給電装置に前述の従来技術の一般的なスリップリングの技術思想を適用すると、高電力を通電させるためには、接触抵抗を小さくしなければならず、給電子と集電子の接触面積を大きくする必要が生じ、装置が大形化してしまう問題が生じる。またブラシが円柱状又は角柱状のため、回転子とのすべり接触部に必ずブラシのエッジ部が存在することになり、そのエッジ部は欠け易く、ブラシの寿命が短いという問題も生じる。次に特許文献１の技術思想を適用すると、組立誤差や加工誤差によって少しでもリング状の給電子又はリング状の集電子の軸が傾斜すると給電子と集電子の接触部が線接触になってしまい接触面積が大幅に減少するので、給電時の発熱が増加してしまう問題が生じる。次に特許文献２の技術思想を適用すると、十分な遠心力が働いている時は大きな接触面積を確保できるが、遠心力が小さくなると十分な接触面積を確保できない問題が生じる。次に特許文献３の技術思想を適用すると、固定リング部材と回転リング部材との間にコロという第３の部材が介在することになり、しかもそれぞれの接触部が線接触なので接触面積が少なく、接触抵抗が大きくなるため給電時の発熱が増加し、また、給電部の構成部品が増えることにより構造が複雑化する問題が生じる。

よって本発明は、このような問題点を解決することを技術課題としており、組立誤差や加工誤差があっても給電子と集電子との間で所定の接触面積を確保し、発熱が少なく、寿命が長い給電装置を提供することを目的とする。また、給電子と集電子のすべり接触により発生する摩耗粉を回収することができ、高電力を通電可能でコンパクトな多極の給電装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明によれば、固定部と回転部との間で電気の授受を行う給電装置において、給電子と集電子が相対的に回転可能に支持され、給電子及び集電子は互いに接触するすべり接触面を有し、該すべり接触面は同一の回転軸を持つ凹球面又は凸球面に形成されてなり、給電子のすべり接触面及び集電子のすべり接触面の一方に溝を形成し、他方に螺旋溝を形成する給電装置が提供される。給電子と集電子のすべり接触面が球面なので、加工誤差や組立誤差により給電子又は集電子の軸がすべり接触面を形成する球の中心を支点に傾斜しても面接触を維持できる。

また、本発明によれば、給電子は互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、集電子は互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列された給電装置が提供される。例えば３相交流を動力とするモータに電力を供給する場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相とアースが必要となるので、給電子及び集電子を４個づつ配列すれば良い。

また、本発明によれば、固定部又は回転部に設けられ、給電子と集電子のすべり接触面に押圧力を与える方向に付勢する付勢手段を更に具備する給電装置が提供される。給電子及び集電子が摩耗をしても付勢手段によって、適度な接触圧力で面接触を維持する。

また、本発明によれば、固定部及び回転部に設けられ、給電子及び集電子を周囲の部材と絶縁する絶縁部材を更に具備する給電装置が提供される。また、該絶縁部材は、無機質系樹脂積層板で形成されてなる給電装置が提供される。この絶縁部材によって絶縁が必要な箇所が適宜絶縁される。

また、本発明によれば、給電子と集電子が相対的に回転可能に支持され、給電子と集電子のすべり接触によって固定部と回転部との間で電気の授受を行う給電装置において、固定部に互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、すべり接触面が凸球面に形成され、さらに該すべり接触面に溝が形成されたリング状の給電子と、回転部に互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、すべり接触面が給電子のすべり接触面と面接触する凹球面に形成され、さらに該すべり接触面に螺旋溝が形成されたリング状の集電子と、固定部及び回転部に設けられ、給電子及び集電子を周囲の部材と絶縁する絶縁部材と、回転部に設けられ、集電子を給電子に向けて回転軸線方向に付勢する付勢手段と、給電子及び集電子の周辺に圧力流体を供給し排出する圧力流体流路と、を具備する給電装置が提供される。

本発明によれば、固定部と回転部とのすべり接触を給電子及び集電子に形成した球面で行わせることにより、加工誤差や組立誤差により給電子又は集電子がすべり接触面を形成する球の中心を支点に傾斜しても面接触を維持でき、接触面を円柱面や円錐面に形成するよりも大きな接触面積を確保できる。よって接触抵抗は小さくなり発熱は少なく、かつ、高電力の通電を行わせることができる。従って１つの給電装置を多極構造にしても給電装置をコンパクトにできる。接触面積が大きいので接触面圧は比較的小さくて済み、発熱や摩耗の点で有利である。また、接触面に摩耗粉を排出する溝を設け、接触面周辺に流体を供給し回収することにより、冷却作用及び摩耗粉排出作用が生じ、発熱が少なく、メンテナンスの頻度が下がる。絶縁部材に無機質系樹脂積層板を用いれば、絶縁性、耐熱性に優れ、成形し易いという効果がある。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の好ましい形態を説明する。図１ないし図４を参照して、給電装置１は、図示しない軸受で支持された外側の回転部３と、内側の固定部５との間の４つの接触面７で回転すべり運動をしながら、固定部５側から回転部３側へ通電している。回転部３は、環状のハウジング９，１１，１３，１５の各内部に皿ばね１７，１９，２１，２３、銅カップ２５，２７，２９，３１及びスペーサ３３，３５，３７，３９をそれぞれ組み込み、押え板４１とボルト・ナット４３によって一体化されている。リング状の集電子４５，４７，４９，５１はそれぞれ銅カップ２５，２７，２９，３１の内側に導電性の接着剤で固着されている。銅カップの円周方向２ヶ所にはつの５３が外側へ突出しており、つの５３に電線５５の芯線が溶接されている。４つの集電子４５，４７，４９，５１からそれぞれ２本ずつの電線が位相を変えて外側へ取り出されている。ハウジング９，１１，１３，１５及び押え板４１は、ガラスエポキシ、セラミックス等の絶縁性、耐熱性、強度を兼ね備えた材質であっても良いが、無機質系樹脂積層板（例えば商品名ニコライトＮＬ−ＩＧ）のように絶縁性、耐熱性を兼ね備え、更に成形し易い材質が好ましい。リング状の集電子４５，４７，４９，５１は銅とカーボンの複合材やグラファイトなどの固体潤滑性のある導電材料が良い。

一方固定部５は、円柱状の軸５７にリング状の絶縁スペーサ５９，６１，６３，６５，６７、及びリング状の給電子６９，７１，７３，７５を交互に挿入し、右側から（図１参照）蓋部材７７を押し当て、図示しないボルトで軸５７へ固定している。蓋部材７７は押え板４１の外周部にかぶさり、シール部材７９によって回転部３と固定部５との間隙を密封している。４本の電極棒８１が給電子６９，７１，７３，７５の電極棒挿入穴９７にそれぞれねじ込まれ、位相を変えて外部に取り出され、外部端に設けられたナット８３で電源線８５が接続されている。軸５７及び蓋部材７７はガラスエポキシ、セラミックス等の絶縁性、耐熱性、強度を兼ね備えた材質であっても良いが、無機質系樹脂積層板のように絶縁性、耐熱性を兼ね備え、更に成形し易い材質が好ましい。給電子６９，７１，７３，７５は、導電体であり、かつ、すべり軸受材で耐摩耗性のある銅又は銅合金（真ちゅう、りん青銅など）が好ましい。

接触面７は互いに密着する球面に形成され、集電子の接触面７ａは凹球面に、給電子の接触面７ｂは凸球面に形成される。接触面７ａ及び接触面７ｂは集電子及び給電子の寸法に対してできるだけ接触面積を大きくした構成になっている。また、集電子の接触面７ａ及び給電子の接触面７ｂは同一の回転軸を持つように配置されている。接触面７に押圧力を付与するため、固定部５に対して回転部３を軸線方向右側（図１参照）に押圧した位置で図示しない軸受で支持すれば良い。あとは皿ばね１７，１９，２１，２３の弾性付勢作用で押圧力はほぼ所定の値に維持される。皿ばねに代えてウエーブワッシャ（波形座金）、ばね座金等の軸線方向に弾性付勢作用のあるものを用いることができる。本発明では接触面７を球面に形成し、接触面積をできるだけ大きくしているので、押圧力を高くしなくても給電でき、発熱、摩耗の点で有利である。

更に集電子４５，４７，４９，５１の接触面７ａには螺旋溝９３が、給電子６９，７１，７３，７５の接触面７ｂには溝９５が設けられ、螺旋溝９３及び溝９５によって接触面７で発生した摩耗粉を効果的に排出する。

また、軸５７の内部には、流体供給流路８７及び流体回収流路８９が軸線方向及び各皿ばね付近の間隙に連通するよう半径方向に設けられている。流体供給流路８７から加圧空気を内部に供給すると、各接触面７の周辺を空気がすり抜けて流体回収流路８９を通り、外部へ排出される構造になっている。このとき加圧空気は各所を冷却し、接触面７のすべりによって発生する摩耗粉を回収する作用がある。尚、回転部３の左側にはカバー９１が取付けられる。

本実施の形態の給電装置は、以上のように構成されており、集電子と給電子を接触させ、その接触面を球面にして加工誤差や組立誤差により給電子又は集電子がすべり接触面を形成する球の中心を支点に傾斜しても面接触を維持できるため、接触抵抗を小さくして、高電力を発熱少なく授受することができる。これによって前述の５軸工作機械の回転部への給電を安定して行うことができるといった機械への適用効果が表われる。また、加圧流体を接触面７の周辺の間隙に流すことにより、冷却作用が生まれ、摩耗粉の回収もでき、堆積した摩耗粉によって相間が短絡してしまうといった事故を防ぐ効果も生まれる。また、本発明は、固定部に集電子が設けられ、回転部に給電子が設けられている場合も含む。また、本発明は、外輪側が固定部で、内輪側が回転部で構成されている場合も含む。また、本発明は、給電子の接触面が凹球面に形成され、集電子の接触面が凸球面に形成されている場合も含む。また、本発明は、固定部と回転部との間で電気信号の授受を行う場合も含む。尚、固定部が、本発明の給電装置を使用する機械の移動体に固定されている場合や、回転体に固定されている場合にも適用することができることは言うまでもない。

本発明の給電装置の実施の形態を示す断面図である。図１に示した給電装置を一部断面にした斜視図である。（ａ）集電子を接触面側から見た正面図であり、（ｂ）集電子の断面図である。（ａ）給電子を接触面側から見た正面図であり、（ｂ）給電子の断面図である。

符号の説明

１給電装置
３回転部
５固定部
７接触面
９，１１，１３，１５ハウジング
１７，１９，２１，２３皿ばね
４５，４７，４９，５１集電子
５５電線
５７軸
６９，７１，７３，７５給電子
８１電極棒
８５電源線
８７流体供給流路
８９流体回収流路

Claims

固定部と回転部との間で電気の授受を行う給電装置において、
リング状の給電子とリング状の集電子が相対的に回転可能に支持され、前記給電子及び前記集電子は互いに接触するすべり接触面を有し、該すべり接触面は同一の回転軸を持つ凹球面又は凸球面に形成されてなり、前記給電子のすべり接触面及び前記集電子のすべり接触面の一方に溝を形成し、他方に螺旋溝を形成することを特徴とした給電装置。
前記給電子は互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、前記集電子は互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列された請求項１に記載の給電装置。
前記固定部又は前記回転部に設けられ、前記給電子と前記集電子のすべり接触面に押圧力を与える方向に付勢する付勢手段を更に具備する請求項１又は２に記載の給電装置。
前記固定部及び前記回転部に設けられ、前記給電子及び前記集電子を周囲の部材と絶縁する絶縁部材を更に具備する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の給電装置。
前記絶縁部材は、無機質系樹脂積層板で形成されてなる請求項４に記載の給電装置。
給電子と集電子が相対的に回転可能に支持され、給電子と集電子のすべり接触によって固定部と回転部との間で電気の授受を行う給電装置において、
前記固定部に互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、すべり接触面が凸球面に形成され、さらに該すべり接触面に溝が形成されたリング状の給電子と、
前記回転部に互いに絶縁して回転軸線方向に複数個配列され、すべり接触面が前記給電子のすべり接触面と面接触する凹球面に形成され、さらに該すべり接触面に螺旋溝が形成されたリング状の集電子と、
前記固定部及び前記回転部に設けられ、前記給電子及び前記集電子を周囲の部材と絶縁する絶縁部材と、
前記回転部に設けられ、前記集電子を前記給電子に向けて回転軸線方向に付勢する付勢手段と、
前記給電子及び前記集電子の周辺に圧力流体を供給し排出する圧力流体流路と、
を具備することを特徴とした給電装置。