JP6552876B2

JP6552876B2 - ブラシホルダ装置及びシステム

Info

Publication number: JP6552876B2
Application number: JP2015114390A
Authority: JP
Inventors: アルバート・ユージン・シュタインバッハ; フランク・オースチン・スカルツォ・サード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-06-05
Also published as: US9647404B2; US20150357779A1; CH709770A2; CN105322405B; CN105322405A; JP2016007128A; DE102015108717A1

Description

本明細書で開示される主題は、ブラシホルダ装置及びシステムに関する。具体的には、本明細書で開示される主題は、ブラシと電動機械（例えば、発電機、電気モータ、その他）の回転要素及び／又は回転機械（例えば、回転クレーン）との間に電流を導通させるよう構成されたブラシホルダ装置及びシステムに関する。

従来の電動機械は、機械の作動中に電流を導通させる巻線を有するロータを含む。ロータが回転するときに、ロータの外部にある供給源からロータ巻線まで電流を導通させるのに回転要素が使用される。集電リング又は整流子などの回転要素は、ブラシと接触して電流を導通する。ブラシが回転要素に対して固定されている場合、炭素製のブラシは摩擦に起因して摩耗し、定期的な交換が必要となる。

電動機械の運転中の停止時間を短縮する要求により、ブラシの交換は、電動機械の運転中に行われることもある。ブラシを安全に交換するために、オペレータは、片手を使用する（オペレータの身体に電流が流れるのを避けるため）。従来のブラシホルダは、重量があり扱い難く、ブラシ交換が困難で危険を伴う場合がある。

米国特許第８，６１８，７１３号明細書

本発明の１つの態様によれば、ブラシホルダ装置は、少なくとも１つの溝及びフォーク型電気コネクタを有する固定支持部材を含む。固定支持部材は、該固定支持部材の主本体の一部に貫通するよう構成導電バーを有する。導電バーは、集電マウント及びフォーク型電気コネクタとの電気伝導性を提供するよう構成されている。ブラシ保持部材は、固定支持部材に解除可能に取り付けられるよう構成されている。ブラシ保持部材は、少なくとも１つの溝に沿って滑動するよう構成された少なくとも１つのレールと、フォーク型電気コネクタと嵌合するよう構成されたナイフ型電気コネクタとを有する。固定支持部材は、集電マウントに電気的に接続するよう構成され、ブラシ保持部材は、少なくとも１つのブラシを保持するよう構成される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。

本発明の１つの態様による、Ｕ字形集電体上に設置された単一のブラシホルダの部分斜視図。本発明の１つの態様による、固定支持部材の斜視図。本発明の１つの態様による、図２に示す固定支持部材の後方斜視図。本発明の１つの態様による、ブラシ保持部材の前方斜視図。本発明の１つの態様による、ブラシ保持部材の後方斜視図。本発明の１つの態様による、ブラシを保持するのに使用されるブラシ保持部材及びカム部材の底面図。本発明の１つの態様による、固定支持部材の斜視図。本発明の１つの態様による、ブラシホルダと共に用いることができるプランジャブラシ拘束具の概略図。本発明の１つの態様による、ブラシホルダと共に用いることができるプランジャブラシ拘束具の概略図。本発明の１つの態様による、ブラシ摩耗を検知するためＲＦＩＦタグを組み込んだブラシホルダの斜視図。本発明の１つの態様による、図１０のＲＦＩＤタグの斜視図。本発明の１つの態様による、電動機械におけるシステムの簡易概略図。本発明の１つの態様による、２つの位置におけるカムの簡易側面図。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

本発明の態様は、ブラシと電動機械（例えば、発電機、電気モータ、その他）及び／又は別の回転機械（例えば、回転クレーン）の回転要素との間で電流を導通するよう構成されたブラシホルダ組立体（又は装置）を提供する。詳細には、本発明の態様は、オペレータが電動機械及び／又は別の回転機械のブラシを安全に取り外し／交換するのを助けることができるブラシホルダ組立体を提供する。

本明細書で記載されるように、従来の電動機械は、機械の作動中に電流を導通させる巻線を有するロータを含む。ロータが回転するときに、ロータの外部にある供給源からロータ巻線まで電流を導通させるのに回転要素が使用される。集電リング又は整流子などの回転要素は、ブラシと接触して電流を導通する。ブラシが回転要素に対して固定されている場合、炭素製のブラシは摩擦に起因して摩耗し、定期的な交換が必要となる。

従来のブラシホルダとは対照的に、本発明の態様は、回転カムブラシ保持具を有する電動機械用ブラシホルダ装置を含む。このカム型のブラシ保持具は、電動機械のブラシの効率的で安全な設置及び／又は取り外しを可能にすることができる。

図１は、本発明の１つの態様による、Ｕ字形集電体上に設置された単一のブラシホルダの部分斜視図を示す。集電リングは、ロータ（図示せず）と共に回転する。複数のブラシ及び対応するブラシホルダは、Ｕ字形集電体に取り付けられ、集電リングの周りに少なくとも部分的に配置される。この実施例においては、単一のブラシホルダ装置１００のみがＵ字形集電体１１０に取り付けられて示されている。ブラシホルダ装置１００は、Ｕ字形集電体にボルト締め又はスクリュー止めすることができ、或いは他の何らかの好適な方法を利用してもよい。ブラシホルダ装置１００は、固定支持部材１０２とブラシ保持部材１０４とを含む。固定支持部材１０２は、例えば、導電性材料から作製するか又は導電性材料を含めることにより、集電マウント（すなわち、Ｕ字形集電体１１０）に電気的に接続されるよう構成される。ブラシ保持部材１０４は、少なくとも軸方向及び円周方向でブラシを保持（内部に収容される）するよう構成される。

図２は、本発明の１つの態様による、固定支持部材１０２の斜視図を示す。固定支持部材１０２は、少なくとも１つの溝２１０と、フォーク型電気コネクタ２２０とを含む。フォーク型電気コネクタ２２０は、固定支持部材の一方の側部又は両側部に延びることができ、或いは、固定支持部材の側部に延びることなく、単に中心に位置付けることができる。固定支持部材１０２の上側部分にはテーパ付きスロット２３０が配置され、該スロット２３０は、ブラシ保持部材上のロックピン４５０と協働するように構成される。ロックピンはまた、傾斜面を有するバー又はラッチもしくは突出部或いはディスクと置き換えることもできる。スロット２３０のテーパ特性は、ロックピン４５０が回転したときに、コネクタ２２０内にブラシ保持部材を押し込む働きをする。バー２４０は、固定支持部材１０２の下端部付近に位置することができ、このバーは、ブラシ保持部材１０４上にカムを係合して拘束するように構成される。バー２４０はまた、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に挿入できる距離を制限する働きをする。ブラシ保持部材１０４は、上部においてロックピン４５０と、底部においてバー２４０との間で固定支持部材１０２に対して所定位置に固定される。バー２４０は、固定支持部材１０２の外形輪郭内に完全に収められ、当該輪郭を越えて突出しない。複数の孔２５０が設けられ、Ｕ字形集電体１１０への固定支持部材１０２の取り付けを容易にするよう構成される。孔２５０は、ボルト又はスクリューのような機械的ファスナーと共に用いるように内部にねじ山を付けることができる。加えて、孔２５０は、固定支持部材１０２の両側部に設けられ、積み重ね又は横並び配列で複数の固定支持部材を共に取り付けるように構成されている。このことは、複数のブラシが横並びで積み重ねられる場合に望ましいとすることができる。例えば、Ｕ字形集電体１１０上の１つの円周方向位置にて３、４、５、６、７、又はそれ以上のブラシを配列することができる。導電性スペーサプレート（又はバー）２６０は、固定支持部材１０２の１又はそれ以上の側部上に配置することができる。導電性スペーサプレート／バー２６０は、集電マウント（Ｕ字形集電体１１０）及び／又は第２の固定支持部材（例えば、第１の固定支持部材の側部に接続される）との電気伝導性を提供するよう構成される。

図３は、本発明の１つの態様による、図２に示す固定支持部材１０２の後方斜視図を示す。導電バー２６０は、固定支持部材の主本体１０３の一部を貫通し、集電マウント１１０及びフォーク型電気コネクタ２２０との電気伝導性を提供するよう構成される。この配列により、固定支持部材１０２を完全に電気的に絶縁して、電流がＵ字形集電体１１０から導電バー２６０を介してフォーク型電気コネクタ２２０に流れることができるようになる。Ｕ字形集電体１１０に装着するための孔２５０は、導電バー２６０内に形成される。代替の実施形態において、導電バー２６０は、複数の固定支持部材１０２を同じ（より長い）導電バー２６０に取り付けることができるように延ばすことができる。導電バー２６０は、固定支持部材の底部を通って導電バー２６０を貫通しフォーク型電気コネクタ及び／又は１又はそれ以上のタブ／ボス２７０の何れかにまで上方に延びるボルトによって固定支持部材１０２及びフォーク型電気コネクタ２２０に取り付けることができる。この実施例において、１つのタブ／ボス２７０は、フォーク型電気コネクタ２２０の両側に示されている。フォーク型電気コネクタ２２０はまた、導電バー２６０と一体的に形成することもできる。

固定支持部材１０２は、１つ、２つ（図示）、３つ、又はそれ以上のブラシ保持部材を受け入れるように構成することができる。好ましい形態は、１つ又は２つのブラシを受け入れる１つの固定支持部材であるが、Ｕ字形集電体上の所与の円周方向位置にて特定数のブラシを必要とする用途では、複数の固定支持部材を横並びで配列することができる。固定支持部材１０２及び／又はブラシ保持部材は、特定の用途において望ましいような、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又は何らかの他の好適な導電性もしくは非導電性材料から実質的に形成（又は構成）することができる。１つの非限定的な実施例として、固定支持部材１０２及びブラシ保持部材１０４は、パッシベート又は陽極酸化アルミニウム、又はパッシベート又は陽極酸化アルミニウム合金から実質的に形成（又は構成）することができる。この材料は、良好な強度をもたらすと共に、電気的絶縁又は電気的半絶縁材料を提供することになる。ブラシホルダ本体を通る電流フローを最小限にし、ブラシ及びこの電流フローに合わせて設計されたブラシホルダの電気的経路を通過する電流フローに集中させることが望ましい。加えて、挿入又は取り外し中に技術者が把持する可能性がある部分への何らかの電流フローを最小限に（もしくは阻止）することが望ましいことになる。また、ブラシ４３２が摩滅してもはや電流経路の一部ではなくなったときに、集電リング１２０からブラシ保持部材１０４又は固定支持部材１０２への直接の電流アークが発生する可能性を排除することが望ましい。固定支持部材及びブラシ保持部材のうちの少なくとも一方の表面の少なくとも一部は、実質的に電気的に絶縁されるように構成される。例えば、ブラシ保持部材のハンドルは、作動機械上でのブラシホルダの挿入又は取り外し中に技術者を保護するために、実質的に電気的に絶縁にすべきである。或いは、固定支持部材及びブラシ保持部材は、粉体コーティングもしくは塗装アルミニウム、又は粉体コーティングもしくは塗装アルミニウム合金、又は粉体コーティング金属もしくは非金属材料、又はセラミックコーティング金属もしくはセラミックコーティング非金属材料から実質的に形成（構成）することができる。

図４は、本発明の１つの態様による、ブラシ保持部材１０４の前方斜視図を示す。図５は、本発明の１つの態様による、ブラシ保持部材１０４の後方斜視図を示す。ブラシ保持部材１０４は、固定支持部材１０２に解除可能に取り付けるよう構成される。少なくとも１つのレール４１０が、溝２１０に沿って滑動するよう構成される。図示の実施例において、ブラシ保持部材１０４は、ブラシ保持部材の両側に１つずつ、２つのレール４１０を含む。フォーク型電気コネクタ２２０と嵌合するよう構成されたナイフ型電気コネクタ４２０が、ブラシ保持部材１０４の後部上に配置される。ブラシ保持ボックス４３０は、軸方向及び円周方向で１又はそれ以上のブラシ４３２を保持する。図示の実施例において、ボックス４３０は、２つのブラシ４３２を保持する。ブラシ４３２は、ブラシバネ４３４によって半径方向下向きに付勢される。アパーチャ４３１は、ボックス４３０のウィンドウを形成し、ブラシ４３２を視認し、摩耗を視覚的に監視できるようにする。

ブラシ保持部材１０４は、電気絶縁ハンドル４４２を含むハンドル組立体４４０と、ハンドル４４２とブラシコネクタリード部４３６との間に配置される電気絶縁ガード４４４又はシールドとを含む。ブラシコネクタリード部４３６は、電動機械が作動している間に高電圧及び高電流を伝送し、よってこれらは避けるべき危険を及ぼす。電気絶縁ハンドル４４２及び電気絶縁ガード４４４は、技術者の手が通電したブラシコネクタリード部４３６に接触するのを防止する。ハンドル４４２及びガード４４４は、プラスチック、ゴム、エポキシ／繊維ガラス積層体、繊維ガラス、又は他の何れかの好適な電気絶縁材料から構成することができる。

ロックピン４５０は、固定支持部材１０２においてテーパ付きスロット２３０と協働するよう構成される。ハンドル組立体は回転することができ、回転すると、ロックピン４５０が回転してテーパ付きスロット２３０に出入りすることができる。図４及び５は、ロック位置で向けられたロックピン４５０及びハンドル４４２を示している。このロック位置において、ロックピン４５０は、スロット２３０内に完全に挿入され、テーパ付き面は、ロックピンを半径方向下向きに移動させる。換言すると、ハンドル組立体４４０は、約９０度回転するよう構成され、０度の位置は、ロックピン４５０がテーパ付きスロット２３０から係合解除されて、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２から取り外すことができるように構成される。９０度の位置（図４及び５に示す）は、ロックピン４５０がテーパ付きスロット２３０に係合し、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２上で動作状態に完全にロックされるように構成される。ハンドル４４２をロックピン４５０に平行に向けて、ロックピン４５０をテーパ付きスロット２３０に貫通して延ばすことによって、オペレータは、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に完全に挿入されて所定位置でロックされたことを容易に視認できる。

バネ組立体４６０は、ハンドル組立体４４０内に収容され、ブラシターミナルの圧縮プレート４７０（その２つが図示されている）に機械的に接続される。ブラシターミナル圧縮プレートは、ハンドルのシャフトを貫通して延びた一体部品とすることができるが、２部品から製作することもできる。ブラシ４３２は、ブラシコネクタリード部（又はピグテール）４３６を介してブラシターミナル４３８に接続される。ブラシターミナル４３８は、ナイフ型電気コネクタ４２０に電気的に接続される。例えば、ナイフ型電気コネクタは、各ブラシターミナル４３８の下に延びて導電性経路を形成する導電性ベース部材を含む。バネ組立体４６０は、圧縮プレート４７０を下向きに付勢し、この下向きの加圧によりブラシターミナルがナイフ型電気コネクタ４２０のベース部材と接して所定位置に保持される。これは、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に挿入されている（又はそこから取り外される）ときに特に有利である。ブラシを手動で挿入又は取り出す際に片手のみを使用することが推奨されるので、バネ組立体により、ブラシターミナル４３８を所定位置に保持するのに２番目の手が必要ではないことが確実になる。ブラシ保持部材１０４が固定支持部材内に完全に挿入されると、ハンドル４４２が９０度回転し（ロック位置になり）、テーパ付きスロット２３０が、ロックピン４５０（並びにブラシ保持部材１０４）を半径方向下向きに押し下げて、ブラシターミナル４３８に追加の力を加えるようになる。この設計の利点は、ブラシ保持部材１０４が、ターミナル圧縮プレート４７０とブラシ保持部材の対向する面（すなわち、ナイフ型電気コネクタ４２０の導電性ベース部材）との間でブラシターミナル４３８をクランプするよう構成され、その結果、どのような工具を使用することなくブラシターミナルが係合又は解除されるようになることである。必要なことは、手動でそれぞれの部品を配置することだけである。特定の工具の使用を最小限に又は不要にすることで、電動機械の周りでの作業が特に運転中及び通電中であるときに極めて簡単で安全にすることができる。

図示のように、ブラシボックス４３０は、２つのブラシ４３２を保持するよう構成される。しかしながら、ボックス４３０は、１つのブラシ４３２（ボックスの幅を縮小することにより）、或いは、３又はそれ以上のブラシ（ボックスの幅を拡大して追加の個々のブラシアパーチャを設けることにより）を保持するよう構成することもできる。ブラシターミナル４３８は、遠位端に配置される上向き曲げ部を含む。この曲げ部は、ブラシターミナルを圧縮プレート４７０の下に所定位置に保持するのを助ける。曲げ部はまた、リブ又はレールと置き換えることもできる。また、ターミナル圧縮プレート４７０又はナイフ型電気コネクタ４２０の導電性ベース部材上の相補的な特徴要素と協働する孔又はノッチをブラシターミナルに設けることができる。例えば、ブラシターミナル４３８が中心部に孔を含む場合には、圧縮プレート４７０は、ブラシターミナルの孔に係合するよう配置される相補的ピンを有することができる。ブラシ保持部材上のこの相補的特徴要素は、ブラシターミナルをブラシ保持部材に固定するのを助ける。また、ブラシターミナルが相補的ピンを有し、圧縮プレートが孔を有するような逆の構成を用いることもできる。この構成を用いると、ブラシ保持部材１０４は、ナイフ型電気コネクタ４２０をブラシターミナル４３８に電気的及び機械的に接続し、ナイフ型電気コネクタ４２０及びブラシターミナル４３８の両方がハンドル４４２から電気的に絶縁されるように構成される。

ブラシ４３２がロータ集電リング１２０との摩擦接触に起因して摩滅すると、ブラシバネ４３４は、ブラシ４３２の摩滅面をロータ集電リング１２０と接触した状態で保持するようになる。ブラシバネ４３４は、反動するよう引張状態で設計されるので、ブラシ４３２を集電リング１２０に接触させて半径方向下向きに押し付けるように構成される。このようにして、バネ４３４の上部のコイルは、下向きに引張又は反動しようとし、これによりブラシ４３２に対して半径方向下向きの力が加わるようになる。ブラシバネ４３４は、コイル状になったバネ４３４の直ぐ後方で且つ上方に曲げ部支持プレート４３５を含む。曲げ部支持プレート４３５はまた、ブラシ保持部材１０４における相補的凹部内に挿入するよう構成された角度付きタブを含むことができる。ブラシバネ４３４及び曲げ部支持プレート４３５は、角度付きタブを相補的凹部内に移動させてブラシバネの挿入を可能にし、また、角度付きタブを相補的凹部の外に移動させてブラシバネの取り出しを可能にするように可撓性である。ブラシバネ４３４及び曲げ部支持プレート４３５はまた、ブラシ４３２をブラシ保持部材又はボックス４３０に接して拘束するよう構成されたカム部材６１０と一列に並んで配置されるように構成される。この一列配列は、何らかの可能性のある固着が低減又は排除され、バネ４３４、ブラシ４３２、及びカム部材６１０の間で円滑な作動が可能となるように整列される。

図６は、本発明の１つの態様による、ブラシ４３２を保持するのに使用されるブラシ保持部材１０４及びカム部材６１０の底面図を示す。カム部材６１０は、ブラシ保持部材１０４の底部付近でシャフト６２０に動作可能に接続される。カム部材６１０は、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に完全に挿入されるまで、ブラシ保持部材又はボックス４３０に接してブラシ４３２を保持するよう構成される。カム部材６１０は、一定角度のカム形状にされ、バネ６１２と共にシャフト６２０に装着される。一定角度のカム形状は、対数らせん幾何形状と一致する。このことは、ブラシ４３２の面に達するためにどのようにカム部材６１０が回転しようとも、カム６１０は、同じ角度及び同じ大きな力でブラシ４３２と接触し、ブラシ保持部材１０４内でのブラシの滑動を抑制することを意味している。全てのブラシが厳密に同じサイズであるとは限らないので、各カム部材６１０がシャフト６２０上を独立して自在に回転して、シャフト６２０と対応するブラシ４３２面との間の実際のギャップを埋めることは重要である。

図１３は、本発明の１つの態様による、２つの位置におけるカム６１０の簡易側面図を示している。ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に完全に挿入されていないときには、カム６１０は、下向きに回転してブラシ４３２に接触することになる。ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２内に完全に挿入されると、カム６１０’（破線で図示される）は、ロッド２４０（破線で図示される）により上方に押し上げられてブラシ４３２から離れることになる。

バネ６１２は、カム部材６１０をブラシ４３２に向けて付勢する。ブラシ４３２がボックス４３０を通って半径方向下向きに移動すると、カム部材６１０は、ブラシ４３２と（くさび作用により）接触し、ブラシ４３２のこれ以上の下向きの移動を阻止する。実際に、カム部材６１０は、ブラシがボックス４３０を通り抜けて落下するのを防ぐ。カム部材６１０及びバネ６１２は、カム６１０がブラシ４３２を損傷せず、当該ブラシ４３２の挿入及び取り出しが工具を使用することなく達成できる（すなわち、手で容易に行うことができる）ように構成されている。使用時には、ブラシ４３２は、ボックス４３０内に設置され、カム部材６１０は、ブラシ４３２を所定位置に保持する。ここでブラシ保持部材１０４は、固定支持部材１０２内に挿入することができる。カム部材６１０がバー２４０に接触する（ブラシ保持部材１０４が完全ではないにしても、ほぼ完全に固定支持部材１０２内に挿入されたときに生じる）と、カム部材は、（バー２４０により）上向きに押し上げられ、ブラシ４３２から後退する。この動作により、ブラシ４３２が集電リング１２０上に落下できるようになる。逆に、ブラシ保持部材１０４がロック解除されて固定支持部材１０２から引き出されると、各カム部材６１０は、バー２４０との接触を失い、ブラシ４３２との接触を取り戻すようになる。これにより、ブラシ４３２が集電リング１２０との接触を失い、ブラシ保持部材１０４から確実に引き出されることになる。加えて、ブラシ保持部材１０４が固定支持部材１０２から引き出されると、図示され本明細書で記載されるカム部材６１０は、追加のブラシ交換工具を使用することなく、片手（例えば、一人のオペレータの手）を用いてブラシ４３２の設置及び／又は交換を可能にすることができる。これは、従来のシステム及び手法に優る利点、例えば、安全で効率的な利点を提供する。

図７は、本発明の１つの態様による、固定支持部材７０２の斜視図を示す。固定支持部材７０２は、代替の実施形態であり、２つの対向する溝７１０と、フォーク型電気コネクタ７２０とを含む。フォーク型電気コネクタ７２０は、固定支持部材の一方の側部又は両方の側部に延びることができ、或いは、（図示のように）固定支持部材の側部に延びることなく、中心に配置することができる。テーパ付きスロット７３０が、固定支持部材７０２の上部に配置され、該スロット７３０は、ブラシ保持部材上のロックピン４５０と協働するよう構成される。スロット７３０の上側テーパ面は、ロックピン４５０が回転してスロットに入ったときに、ブラシ保持部材をコネクタ７２０内に押し込む働きをする。バー７４０は、固定支持部材７０２の下端部付近に配置され、このバー７４０は、ブラシ保持部材１０４上でカムと係合してこれを拘束するよう構成される。複数の孔７５０が設けられ、集電マウント（又はＵ字形集電体１１０）への固定支持部材７０２の取り付けを可能にするよう構成される。孔７５０は、ボルト又はスクリューのような機械的ファスナーと共に用いるように内部にねじ山を付けることができる。加えて、孔７５０は、固定支持部材７０２の両側部に設けられ、積み重ね又は横並び配列で複数の固定支持部材を共に取り付けるように構成されている。フォーク型電気コネクタ７２０は、固定支持部材７０２を通ってＵ字形集電体１１０に電気的に接続される。

図８及び９は、本発明の１つの態様による、ブラシホルダと共に用いることができるプランジャブラシ拘束具の概略図を示す。図８は、プランジャブラシ拘束具によって拘束されたブラシ４３２を示し、図９は、後退してブラシ４３２が集電リング１２０上に落下するのが可能になったプランジャブラシ拘束具を示している。図８及び９は、ホルダ又はボックス８３０内で滑動しないようにブラシ４３２を保持する代替の方法を示している。固定支持部材が符号８０２で示され、ブラシ保持部材が符号８０４で示されている。回転カム６１０（図５〜６を参照）を使用せずに、プランジャブラシ拘束具８１０を有するプランジャブラシ拘束装置を用いてブラシ４３２と接触しこれを拘束することができる。図８は、ブラシ４３２に接触することによりブラシ４３２を拘束するよう構成されたプランジャブラシ拘束具８１０を示している。プランジャブラシ拘束具８１０は、枢動支持体８１４を介して回転又は枢動バー８１２及び輪郭従動子８１３に接続される。枢動バー８１２の上部は、プランジャバネ８１６によりブラシホルダボックス（又はブラシ保持部材）８３０から離れて枢動（又は付勢）する。このようにして、バネ８１６は、プランジャ８１０をブラシ４３２に接して付勢する。図８において、バネ８１６は、ブラシ保持部材８０４の挿入及び取り出しに相当する延伸位置にある。輪郭従動子８１３は、ブラシ保持部材８０４（又はブラシボックス８３０）から離れて位置する固定支持部材８０２の内壁の輪郭面８０３のセクションを通過する点に留意されたい。図９に示すように、ブラシ保持部材８０４が、固定支持部材８０２において完全挿入位置に達すると、輪郭面８０３は、ブラシボックス８３０に接近し、輪郭従動子８１３がブラシボックス８３０により近接して押し付けられるようになる。この動作は、バネ８１６を圧縮し、バー８１２を枢動支持体１４の周りに回転／枢動させ、プランジャブラシ拘束具８１０を後退させる。このようにして、枢動バー８１２及び輪郭従動子８１３は、固定支持部材８０２の輪郭面８０３に追従するよう構成される。プランジャ８１０が（ブラシ４３２）から後退すると、ブラシ４３２は、ブラシボックス８３０の内部で自在に滑動し、集電リング１２０上に落下することが可能となる。ブラシ保持部材８０４の挿入又は取り出し中、ブラシ４３２は、ブラシボックス８３０に接して拘束される。ブラシ保持部材８０４が固定支持部材８０２内に完全に挿入されると、プランジャ８１０が後退してブラシが解除され、集電リング１２０上に落下（ブラシバネ８３４を用いて）できるようになる。

図１０は、本発明の１つの態様による、ブラシホルダの斜視図を示す。ブラシ保持部材１００４は、ブラシ保持部材ボックス１０３０上に装着（又は取り付け）された無線ＲＦＩＤ（無線固体識別）タグ１０００を含む。個別のＲＦＩＤタグ１０００を用いて、ブラシ保持部材１０３０における各ブラシ１０３２を監視することができ、或いは、１つのＲＦＩＤタグ１０００（図１０に示すような）を用いて、単一のブラシ１０３２を監視し、複数のブラシ１０３２の挙動に関するそれぞれのフィードバックを行うことができる。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシ１０３２の摩耗を監視し、ブラシ摩耗ステータスを監視システムに伝達するよう構成される。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシボックス１０３０に取り付けるよう構成された主本体１００１を含む。主本体１００１とブラシボックス１０３０との間に接着剤（図示せず）を配置し、ＲＦＩＤタグを所望の位置に堅固に装着することができる。或いは、ＲＦＩＤタグをブラシホルダに取り付けるために、磁石又はファスナー（例えば、ボルト又はスクリュー）、或いはフック及びループファスナーを用いることもできる。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシホルダ１０３０の少なくとも部分的に内部に配置されたブラシ１０３２の存在を検出するよう構成された近接センサ１０１０を含む。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシホルダ１０３０の温度及びブラシホルダ１０３０付近の空気温度のうちの少なくとも１つを検出するよう構成された温度センサ１０２０を含む。近接センサ１０１０は、観察ウィンドウ１０３１内又はその上に配置又は位置付けられる。

ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシ１０３２の残存寿命及び／又は過度の高温又は低温によるブラシの異常動作状態を表す無線信号を送信するよう構成され、或いはこれらのことを決定するのに用いることができる。無線信号は、ブラシの正常又は異常動作状態の指標又はブラシ１０３２の残存寿命の指標に変換可能である。例えば、高すぎる又は低すぎるブラシ温度は、ブラシの異常動作状態を示すことができ、他方、正常動作パラメータの範囲内の温度は、正常動作状態を示すことができる。近接センサ１０１０からの信号は、ブラシ１０３２の残存寿命の指標に変換可能とすることができ、この指標は、二元タイプの指標又は表示（例えば、良好又は交換）とすることができ、或いは、より優れた限定性（例えば、良好（又は最小時間よりも大きい）、残り５週間、残り４週間、残り３週間、残り２週間、その他）を有することができる。種々の時間増分量（例えば、年、月、週、日、時、その他）又は特定のブラシ長さ（例えば、ｍｍ、ｃｍ、その他）は、残存のブラシ寿命の量を決定又は指示するのにも用いることができることは理解すべきである。

図１１は、本発明の１つの態様による、ＲＦＩＤタグ１０００の斜視図を示す。ＲＦＩＤタグ１０００は、主本体１００１上又は内部に近接センサ１０１０を含む。近接センサ１０１０は、ブラシボックス１０３０内部に配置されたブラシ１０３２の存在及び／又は位置を検出するよう構成される。近接センサ１０１０は、誘導コイル回路、電気機械スイッチ、又は他の何れかの好適な近接検知デバイスとすることができる。例えば、誘導コイル回路は、以下で説明するように、ブラシホルダ内部のブラシの位置を表す信号を提供するよう構成することができる。主本体１００１はまた、温度センサ１０２０を含み、該温度センサ１０２０は、ブラシボックス１０３０の温度及び／又はブラシボックス１０３０付近の空気温度を検出するよう構成される。温度センサ１０２０は、抵抗、抵抗温度センサ（ＲＴＤ）、サーミスタ、熱電対、又は他の何れかの好適な温度検知デバイスとすることができる。

ＲＦＩＤタグ１０００は、遠隔位置（例えば、１又はそれ以上のアンテナ）に無線信号を送信するよう構成され、この無線信号は、ブラシ１０３２の残存寿命を表している。例えば、「表す」は、ブラシボックス１０３０におけるブラシ１０３２の状態、状況、及び／又は位置を決定するのに使用できるものとして定義される。状態、状況又は位置は、ＰＡＳＳ（例えば、良好）又はＦＡＩＬ（例えば、交換）とすることができる。或いは、ブラシ１０３２の上部の位置は、ブラシが近接センサ１０１０の傍を通過したときに検出することができ（誘導コイル回路又は電気機械スイッチにより）、この変化する位置は、ある時間期間（例えば、交換が必要となるまでに残っている寿命が２週間）におけるブラシの残存寿命を推定するのに用いることができる。複数のブラシ長さに対応するＲＦＩＤタグ１０００上の異なる位置で複数の近接センサ１０１０を用いることで、複数段の摩耗を識別するのに用いることができる。

ＲＦＩＤタグ１０００は、好ましくは、消費電流を低減するために低電圧及び低電流コンポーネントから構成される。これにより、ＲＦＩＤタグ１０００を完全に受動的（その電力の全てを１つ又は複数のアンテナ１２３０によって送信される問合せ信号から受け取るという点で）とするか、又は、各ＲＦＩＤタグ１０００内のバッテリを長寿命にすることができる。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシ１０３２の電流又は電圧からエネルギーを取り込まないので、本装置及びシステム１２００は、電動機械が通電しておらず作動中でもないときに完全に作動可能になることができる。受動的又は能動的ＲＦＩＤタグ１０００は、あらゆるブラシにつながるワイヤはもはや必要ではないので、低消費電流であるように構成することができ、これらの低消費電流レベルは、実質的な結果の改善をもたらす。しかしながら、このような低出力デバイスが電動機械環境において満足できるように機能すると期待されないことに起因して、これらの結果は予測できず、試験により、本明細書で記載されるシステム及び装置を用いて正確で信頼できる結果が得られることを確認した。

ＲＦＩＤタグ１０００は、無線固体識別（ＲＦＩＤ）デバイス又はタグとして構成することができ、受信アンテナとの間で無線信号を送受信することができる。ＲＦＩＤデバイスは、約８００ＭＨｚ〜約１ＧＨｚの周波数範囲で、又は約２．４ＧＨｚで、もしくは他の何れかの好適な周波数範囲で伝送することができる。ＲＦＩＤデバイスは、受動デバイスとして構成され、遠隔にあるか又は近傍のアンテナ（例えば、図１２に示すように、１又はそれ以上のアンテナ１２３０）から受け取ったような、問合せ信号から電力を受け取ることができる。ＲＦＩＤデバイスはまた、自己電源（例えば、バッテリ１０５０）を所有し、外部アンテナ１２３０に出力を送信するが、問合せ信号を必要としない能動的ＲＦＩＤとして構成することもでき、或いは、電力は内部電源から得られるが、問合せ信号が外部供給源（例えば、アンテナ１２３０）からもたらされるようなバッテリアシストの受動的ＲＦＩＤデバイスとして構成してもよい。

ＲＦＩＤタグ１０００は、様々な低電力回路及びデバイスを含むことができる。非限定的な実施例として、ＲＦＩＤタグ１０００は、誘導コイルとすることができる近接センサ１０１０と、温度センサ１０２０と、アンテナ１０２５と、ＲＦＩＤチップ１０４０とを含む。追加の又は異なる回路、構成要素及びＩＣ（集積回路）チップを用いて装置を構成してもよいことは理解すべきである。

図１２は、本発明の１つの態様による、電動機械におけるシステムの簡易概略図を示す。システム１２００は、各々が１又はそれ以上のブラシ１２２０を保持するよう構成された１又はそれ以上のブラシホルダ１２１０を含み、ブラシホルダ１２１０は、電動機械１２０５において使用するよう構成される。例えば、電動機械は、回転ＤＣ磁界又は回転ＡＣ電機子を備えた発電機又はモータとすることができる。ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシホルダ１２１０に取り付けられ、ＲＦＩＤタグ１０００は、ブラシホルダ１２１０の少なくとも部分的に内部に配置されたブラシ１２２０の存在を検出するよう構成された１又はそれ以上の近接センサを含む。ＲＦＩＤタグ１０００はまた、ブラシホルダ１２１０の温度及び／又はブラシホルダ１２１０付近の空気温度を検出するよう構成された温度センサを含むことができる。ＲＦＩＤタグ１０００は、電動機械１２０５内に又はその近くに配置された１又はそれ以上のアンテナ１２３０に無線信号を送信するよう構成され、ここで１又はそれ以上のアンテナ１２３０は、ＲＦＩＤタグ１０００から無線信号を受け取る（及び一部の実施形態において、ＲＦＩＤタグ１０００にエネルギーを送る）よう構成される。無線信号は、ブラシ１２２０の残存寿命を表し、又はブラシ１２２０の残存寿命を決定するのに用いることができる。各ＲＦＩＤタグ１０００に一意の識別コードを割り当てることができので、各ブラシ１２２０の状況又は状態を識別することが可能である。

システム１２００は、ローカル又は遠隔に位置する監視ステーション又はシステム１２４０にデータを送信することができる。技術者は、（無線信号からの）受け取ったデータを確認して、電動機械１２０５における各ブラシの状態又は状況を監視することができる。各ブラシに関するデータは、グラフ又は表形式で表示することができ、各ブラシの残存寿命、すなわちブラシが故障するまでの時間期間又は交換が必要となるまでの時間期間の指標に変換することができる。

装置、ブラシホルダ、及びシステムは、温度、電磁気、圧力、歪み、加速度、抵抗、電気機械、磁気抵抗、ホール効果、電流測定を含むセンサタイプ及び／又は他の好適なデバイスを用いてブラシ及び／又はブラシホルダの様々な状態を監視するよう構成される。装置及び１つ又は複数のセンサは、電動機械のブラシ／整流子装置の全般的状態にアクセスするためにブラシホルダ上（物理的に接触して）及び／又は近接して配置することができる。１つの特定の実施形態において、ブラシ位置及び／又は温度測定値は、ブラシの交換又は調整を実施するかどうか及び何時実施するかを決定する機構を提供する。

本発明により提供される１つの利点は、ＲＦＩＤタグ１０００が既存のブラシホルダに追加することができ、ブラシ自体を修正する必要がないことである。ブラシは消耗物品であるので、標準のブラシを低コストで購入、使用及び交換できる理由から、このことはユーザにとって経済的な利点をもたらす。本明細書で記載される装置及びシステムはまた、ブラシホルダ又はブラシ自体に取り付ける追加のワイヤを使用することを排除する。「追加のワイヤ」手法は、短絡経路が追加され、及び隣接する通電した構成要素からのノイズ信号が過剰になる可能性がある。また、目視検査及びブラシ交換作業を妨げる。本発明はまた、ブラシに物理的に取り付けられる又は埋め込まれるセンサを排除できる利点を提供する。これによりコストが低減され、また、ブラシ上への何らかの取り付けによりブラシがブラシホルダ内に嵌まり込む可能性があるので、ブラシホルダに沿って滑動しているときにブラシが悪影響を受ける可能性が排除される。ブラシがブラシホルダに嵌まり込み、滑動を停止してしまった場合、ブラシと集電体との間にギャップが形成され、このことは、望ましくないアーク放電及び最終的には機械故障につながる可能性がある。本発明の装置及びシステムはまた、電動機械の残りの部分が作動中でないときに完全に作動状態にすることができる。

本発明の態様によるブラシホルダ、装置及びシステムは、あらゆる電動機械と共に用いられ、又はあらゆる電動機械に適用することができる。非限定的な実施例として、電動機械は、回転ＤＣ磁界又は回転ＡＣ電機子を備えたモータ及び発電機を含むことができる。本発明のブラシホルダ、装置及びシステムは、予想外に、何らかの工具を使用することなく片手での挿入及び取り出しを可能にし、電動機械が作動しているときにユーザの手が電気が流れている（電気的に通電している）ブラシリード部と絶縁し接触するのを防止するブラシホルダが提供されたことで、実質的に改善された結果を実証している。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ブラシホルダ装置
１０２固定支持部材
１０３主本体
１０４ブラシ保持部材
１１０Ｕ字形集電体
１２０集電リング
２１０溝
２２０フォーク型電気コネクタ
２３０テーパ付きスロット
２４０バー
２５０孔
２６０導電性スペーサプレート
２７０タブ
４１０レール
４２０ナイフ型電気コネクタ
４３０ブラシ保持ボックス
４３１アパーチャ
４３２ブラシ
４３４ブラシバネ
４３５曲げ部支持プレート
４３６ブラシコネクタリード部
４３８ブラシターミナル
４４０ハンドル組立体
４４２ハンドル
４４４絶縁ガード
４５０ロックピン
４６０バネ組立体
４７０ターミナル圧縮プレート
６１０カム部材
６１０’ カム部材
６１２バネ
６２０シャフト
７０２固定支持部材
７１０溝
７２０フォーク型電気コネクタ
７３０テーパ付きスロット
７４０バー
７５０孔
８０２固定支持部材
８０３輪郭面
８０４ブラシ保持部材
８１０プランジャーブラシ拘束具
８１２枢動バー
８１３輪郭従動子
８１４枢動支持体
８１６バネ
８３０ブラシホルダボックス
１０００ＲＦＩＤタグ
１００１主本体
１００４ブラシ保持部材
１０１０近接センサ
１０２０温度センサ
１０２５アンテナ
１０３０ブラシボックス
１０３１観察ウィンドウ
１０３２ブラシ
１０４０ＲＦＩＤチップ
１２００システム
１２０５電動機械
１２１０ブラシホルダ
１２２０ブラシ
１２３０アンテナ
１２４０監視ステーション

Claims

ブラシホルダ装置（１００）であって、
少なくとも１つの溝（２１０）及びフォーク型電気コネクタ（２２０）を有し、集電マウント（１１０）及び前記フォーク型電気コネクタとの電気伝導性を提供するよう構成された導電バー（２６０）を主本体（１０３）の一部に貫通するよう構成した固定支持部材（１０２）であって、前記固定支持部材が、前記固定支持部材の下端部付近に配置されたバー（２４０）を含み、該バーが前記少なくとも１つのカム部材と係合してこれを拘束し、その結果、前記ブラシ保持部材が前記固定支持部材内に実質的に完全に挿入されると、前記ブラシが自在に移動して電動機械の集電子（１２０）に接触するように構成され、前記ブラシ保持部材が前記少なくとも１つの溝に沿って滑動するよう構成された少なくとも１つのレール（４１０）と、前記フォーク型電気コネクタと嵌合するよう構成されたナイフ型電気コネクタ（４２０）とを有し、前記固定支持部材に解除可能に取り付けられるよう構成される、前記固定支持部材と、
を備え、
前記ブラシ保持部材が、前記ブラシ保持部材の底部付近でシャフト（６２０）に動作可能に接続された少なくとも１つのカム部材（６１０）を含み、前記カム部材は、前記ブラシ保持部材が前記固定支持部材内に完全に挿入されるまで前記ブラシ保持部材に接してブラシを押し付けることにより前記ブラシ保持部材内で滑動しないように前記ブラシを保持するよう構成され、
前記ブラシ保持部材が、電気絶縁ハンドル（４４２）と電気絶縁ガード（４４４）とを含むハンドル組立体（４４０）を含み、
前記電気絶縁ガード（４４４）が、前記電気絶縁ハンドル（４４２）とブラシコネクタリード（４３６）との間に配置され、
前記ハンドル組立体（４４０）が、ブラシターミナルの圧縮プレート（４７０）に接続されたバネ組立体（４６０）を備え、
前記ハンドル組立体が更に、ブラシターミナル圧縮プレート（４７０）に機械的に接続されたバネ組立体（４６０）を含み、
前記バネ組立体が、少なくとも前記電気絶縁ハンドルがロック位置になるまで１又はそれ以上のブラシターミナル（４３８）に対して圧力を加えるように構成される、
前記固定支持部材が、前記集電マウント（１１０）に電気的に接続するよう構成され、前記ブラシ保持部材が、少なくとも１つのブラシ（４３２）を保持するよう構成されている、ブラシホルダ装置。
前記固定支持部材が更に、前記ブラシ保持部材上にロックピン（４５０）と協働するように構成されたテーパ付きスロット（２３０）を含む、請求項１に記載のブラシホルダ装置。
前記導電バーが更に、前記集電マウントへの前記固定支持部材の取り付けを可能にするよう構成された複数の孔（２５０）を含む、請求項１または２に記載のブラシホルダ装置。
前記導電バーが、複数の固定支持部材に取り付けられる、請求項１乃至３のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記フォーク型電気コネクタが、前記導電バーと一体的に形成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記固定支持部材及び前記ブラシ保持部材の少なくとも一方が、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記固定支持部材及び前記ブラシ保持部材の少なくとも一方が、パッシベート又は陽極酸化アルミニウム、もしくはパッシベート又は陽極酸化アルミニウム合金から構成され、前記固定支持部材及び前記ブラシ保持部材の少なくとも一方の表面の少なくとも一部が、実質的に電気的に絶縁されているように構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記固定支持部材及び前記ブラシ保持部材の少なくとも一方が、粉体コーティングもし
くは塗装アルミニウム、又は粉体コーティングもしくは塗装アルミニウム合金、又はセラミックコーティング金属もしくはセラミックコーティング非金属材料から構成され、前記固定支持部材及び前記ブラシ保持部材の少なくとも一方の表面の少なくとも一部が、実質的に電気的に絶縁されているように構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記ハンドル組立体が更に、前記固定支持部材においてテーパ付きスロット（２３０）と協働するよう構成されたロックピン（４５０）を含み、前記ハンドル組立体は、前記ロックピンが回転して前記テーパ付きスロットに出入りできるように回転するよう構成され、
前記ハンドル組立体が約９０度回転するよう構成され、０度の位置は、前記ロックピンが前記テーパ付きスロットから係合解除されて、前記ブラシ保持部材が前記固定支持部材から取り外すことができるように構成され、９０度の位置は、前記ロックピンが前記テーパ付きスロットに係合し、前記ブラシ保持部材が前記固定支持部材上で動作状態に完全にロックされるように構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記少なくとも１つのブラシ（４３２）は、前記ブラシコネクタリード（４３６）を介して前記１又はそれ以上のブラシターミナル（４３８）に接続される、請求項１乃至９のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記ブラシ保持部材が、単一のブラシ又は複数のブラシを受け入れるように構成される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記ブラシ保持部材が、ターミナル圧縮プレートと前記ブラシ保持部材の対向する面との間でブラシターミナル（４３８）をクランプするよう構成され、前記ブラシターミナルが何らかの工具を使用せずに係合される、請求項１乃至１１のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記ブラシターミナルが、曲げ部、リブ、孔、ノッチ、又は突出部のうちの少なくとも１つを含み、前記ブラシ保持部材が、前記ブラシターミナルを前記ブラシ保持部材に固定するのを助けるために前記曲げ部、前記リブ、前記孔、前記突出部、又は前記ノッチに対して相補的な特徴要素を含む、請求項１２に記載のブラシホルダ装置。
前記ブラシ保持部材が、前記ナイフ型電気コネクタをブラシターミナルに電気的及び機械的に接続するよう構成され、前記ナイフ型電気コネクタ及び前記ブラシターミナルが、前記ブラシ保持部材のハンドルから電気的に絶縁されている、請求項１乃至１３のいずれかに記載のブラシホルダ装置。
前記ブラシ保持部材が更に、電動機械の集電子に接してブラシを押し付けるように構成されたブラシバネを含み、前記ブラシバネが、前記ブラシ保持部材において交換可能であるように構成され、前記ブラシバネが、ブラシ（４３２）を前記ブラシ保持部材に接して拘束するよう構成されたカム部材（６１０）と一列に並んで配置されるように構成されている、請求項１乃至１４のいずれかに記載のブラシホルダ装置。