專利名稱：電氣軸承接地裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及轉動電氣軸，并更特別是涉及一種用于對充電軸放電以防止經(jīng)過所述軸的軸承損壞性放電的電荷消散裝置。
背景技術：
電感應現(xiàn)象、即電場和磁場之間產(chǎn)生力或形成電流的相互作用在范圍很廣的工業(yè)的多種應用中得到利用。實際上，在電能產(chǎn)生或轉換成物理運動的幾乎所有情況下，利用電感應的能量。例如，磁性陣列在導體網(wǎng)絡內的旋轉(或者傳導線圈在磁體陣列內的旋轉)產(chǎn)生電流，電流可以作為可用電能來控制。這種原理在工業(yè)應用、機車應用、市政電力應用等的 發(fā)電機中得到應用。相反，在馬達應用中，在電流被迫經(jīng)過傳導線圈時，因此產(chǎn)生的磁場與永磁場相互作用，造成線圈(或永磁體)運動。雖然感應現(xiàn)象(即發(fā)電或物理運動的引起)的預期效果通常是有利的，但這種現(xiàn)象有時也由于寄生感應造成非預期后果。這種情況下的相關例子是有時公知為軸充電或軸放電的情況。在這種情況下，發(fā)電或馬達應用中使用的旋轉軸相對于附近的接地主體(即馬達殼體或發(fā)電機殼體)變得感應充電。雖然因此產(chǎn)生的靜態(tài)電荷本身沒有損害，但電荷會突然消散，或者在一定電壓水平下經(jīng)由至地面的中間路徑形成電弧。出現(xiàn)這種情況的電壓水平取決于許多因素，從空氣濕度到機器的多種部件的傳導性。但是，在大多數(shù)情況下，這種放電是有害的，并且通常是不希望的。特別是，這種突然放電通常在顯著大的電壓幅值下，雖然持續(xù)時間短暫。在這種短暫的高電壓放電的過程中，電荷經(jīng)過的部件會被腐蝕、形成凹痕并甚至會燒毀。這是由于放電是非線性的閾值現(xiàn)象。換言之，第一可用的傳導路徑將使得放電馬上進行，這將進一步減小采用任何其他路徑放電的可能性，即使所述其他路徑幾乎是相同的。因此，與點焊類似，所述第一很有限的適當放電路徑被迫用于整個放電，造成甚至最堅固的傳導材料也快速加熱和熔化。實際上，即使最堅硬的金屬軸承也會由于這種現(xiàn)象而快速腐蝕和形成凹痕。破壞性軸放電的可能性長時間為人所知，并且多年來進行了許多嘗試來消除這種問題。雖然一些解決方法具有一定效果，還需要一種完全有效、經(jīng)濟和相對上沒有維護的解決方案。

發(fā)明內容
在所公開的原理的一個方面，提供一種用于消散固定殼體包含的轉動軸上的電荷的組件。該組件包括與偏壓元件結合使用的環(huán)形傳導電荷消散部件，偏壓元件被定向成將軸向力施加到環(huán)形傳導電荷消散部件，使得環(huán)形傳導電荷消散部件在軸轉動的同時保持與軸和殼體接觸。在一種實施方式中，偏壓元件是彈簧，并且進一步是壓縮螺旋彈簧和壓縮波形彈簧中的一種。在另一實施方式中，提供一種用于使得轉動地支承在接地殼體內的軸接地的方法。該方法包括將傳導環(huán)靠近軸的自由端定位在殼體內，并且將偏壓元件放置在殼體內，使得傳導環(huán)位于偏壓元件和軸的自由端之間，其中偏壓元件與傳導環(huán)和軸同軸。貼靠傳導環(huán)壓縮偏壓元件將環(huán)貼靠軸的自由 端偏壓，從而傳導環(huán)與殼體傳導接觸，因此使得軸接地。在另一實施方式中提供一種用于應用到轉動軸的自由端以使軸與周圍固定殼體接地的軸接地升級套件。該套件包括具有與圍繞軸的自由端的殼體部分的內直徑大致相同的直徑的傳導環(huán)構件以及具有與傳導環(huán)構件相同的直徑的柱形彈簧。柱形彈簧的彈簧常數(shù)被選擇成使得彈簧貼靠傳導環(huán)構件在殼體內的壓縮足以保持環(huán)與軸和殼體接觸。傳導環(huán)構件在軸轉動的同時相對于殼體在轉動上保持固定。傳導環(huán)構件可由灰鐵構成，并且柱形彈簧可以是波形彈簧和螺旋彈簧中的一種，或者可替代地包括如上所述的另一種偏壓裝置。


從以下詳細描述和附圖中將理解本發(fā)明的原理的其他方面和特征，附圖中圖I是穿過示例性發(fā)電機軸的截面?zhèn)纫晥D，表示會出現(xiàn)軸放電以及可以采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的旋轉軸環(huán)境；圖2是表示針對在例如圖I的環(huán)境中發(fā)生的軸充電和放電的等同電路構造的電路圖；圖3是穿過示例性發(fā)電機軸的截面?zhèn)纫晥D，表示采用本發(fā)明系統(tǒng)和方法的旋轉軸環(huán)境；圖4是發(fā)電機軸端組件400的分解截面?zhèn)纫晥D，該組件中采用與本發(fā)明系統(tǒng)一致的電荷消散裝置和構造；以及圖5是與所示軸放電系統(tǒng)的實施方式一致的單件式間斷端環(huán)的前部示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及電能使用和發(fā)電，并且本發(fā)明的原理可以容易安裝和容易維護的形式對軸承充電/放電進行有效和經(jīng)濟的解決。本發(fā)明的系統(tǒng)和設備可在沒有大量的供應或改裝成本的情況下用于范圍廣泛的應用中，包括機車、工業(yè)和建造的能量使用和發(fā)電應用等。具體的非限定例子包括工業(yè)和消費者等級的發(fā)電機，例如獨立發(fā)電機和作為大型機器或結構一部分的發(fā)電機。此外，雖然本發(fā)明的原理通過例子相對于傳導軸承裝置描述，將理解到本發(fā)明的原理還可用于其他環(huán)境中，包括使用更貴重的陶瓷或其他絕緣軸承的環(huán)境。特別是，即使通過使用絕緣軸承防止經(jīng)過裝置的軸承放電，還是存在經(jīng)過裝置的其他部分進行損壞性放電的可能性，并且實際上可以甚至更高的電壓進行。因此，所述應用不依賴于絕緣材料的使用，也不需要使用任何特殊軸承或套筒材料?？偟膩碚f，圖I是穿過示例性通用發(fā)電機結構的截面?zhèn)纫晥D，表示其中會出現(xiàn)經(jīng)過發(fā)電機軸承的損壞性放電并且可以采用本發(fā)明系統(tǒng)和方法的旋轉軸環(huán)境。更詳細地，發(fā)電機100包括軸101，軸101固定到轉子103。軸101 (轉子103附接其上)在發(fā)電機100的操作過程中圍繞軸線A旋轉。除了任何其他材料之外，轉子103可包括傳導或磁性元件，或者兩者的組合，而不管電絕緣與否。軸101通過發(fā)電機殼體105環(huán)繞，并且通過一個或多個軸承組件109支承在殼體105內。殼體105通常包括或包含未示出的相應組件,該相應組件與旋轉轉子103相互作用，以便產(chǎn)生電能，或者利用電能來產(chǎn)生轉動運動。在所示例子中的軸承組件109是球軸承組件。但是，將理解到可以使用任何適當軸承或套筒組件來支承軸101，并通常根據(jù)組件109將受到的載荷水平和方向來選擇。例如，實質上軸向的載荷施加到軸101 (雖然對于這種環(huán)境來說不典型)將需要止推軸承，而更典型的徑向載荷將可以使用標準的徑向軸承。將理解到軸承組件109通常通過油脂或其他潤滑劑浸潰或潤滑，以避免過早磨損。雖然絕緣油脂可與所述系統(tǒng)和設備相結合地用于軸承組件109內，所使用的任何具體潤滑劑并不關鍵，或者實際上可以使用任何附加的潤滑劑。為了將殼體105的內部與外部環(huán)境隔離，端蓋107在軸101的至少一個端部處設置在殼體105上，軸的所述端部指的是其自由端。使用端蓋107防止油脂和其他物質在操作過程中離開殼體105，并且還防止例如灰塵、砂礫和濕氣的污染物侵入殼體105的內部。軸 101具有可以通過適當端蓋或其他封閉裝置或表面封閉在殼體105內的相對端(未示出)，或者相對端可以替代地從殼體105伸出。通常，在這種情況下，軸101的端部包括驅動或從動元件，例如齒輪或滑輪，以便將軸101聯(lián)接到外部轉動元件。隨著軸101在殼體105內旋轉，可以隨著時間在至少間歇地電隔離的軸101和通常永久接地(即相對于發(fā)電機100外部的環(huán)境固定在零電位差)的殼體105之間建立正或負電壓差AV。雖然這種累積的電位AV本身不是有害的力，它通常經(jīng)由形成電弧或經(jīng)由至地面的有限傳導路徑達到其放電和消散的幅度。如上所述，在出現(xiàn)這種放電時處于電流路徑內的任何裝置部件會隨著時間而損壞。因此，例如軸承組件109會形成越來越多的凹痕和腐蝕，造成最后軸承失效。圖2是表示對應于圖I的發(fā)電機100的實際結構的等同充電和放電電路200的電路圖。特別是，交流電壓差經(jīng)由軸101或轉子103和未示出的相應元件之間的感應耦合引起。這種耦合通過聯(lián)接的感應器結構201來表示。隨著交流電壓差施加到軸101，該裝置結構和轉動用來優(yōu)先允許在一個方向上充電。這種效果經(jīng)由二極管203表示。這種優(yōu)先充電造成由軸101和殼體105之間的電容表示的電容器205上的累積電壓差A V。軸承組件109被描述成電容器205上的放電路徑，以表示軸承組件109所經(jīng)歷的間歇放電。如上所述，間歇高壓放電有害于發(fā)電機100的部件，并且考慮到這種問題，本發(fā)明的系統(tǒng)和設備提供一種緊湊和容易維護的機構，由此優(yōu)先充電的電壓差AV被連續(xù)消散，從而不允許累積電壓差A V。由此，圖3是穿過示例性發(fā)電機300的截面?zhèn)纫晥D，表示采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的旋轉軸環(huán)境。更加詳細地，圖3的發(fā)電機300包括與圖I的發(fā)電機100相同的一些部件，例如固定到被構造成在發(fā)電機300的操作過程中圍繞軸線A旋轉的轉子303的軸301。如同發(fā)電機100，發(fā)電機300的軸301通過發(fā)電機殼體305環(huán)繞，并且通過一個或多個軸承組件309支承在殼體305內。最后，殼體305還通常包括或包含與旋轉轉子303相互作用以便產(chǎn)生或利用電能的未示出相應組件。除了與發(fā)電機100相同的元件之外，發(fā)電機300還包括用于從軸300消散電荷以防止電荷逐漸累積并隨后突然經(jīng)由軸承組件309或其他部件放電的組件。特別是，發(fā)電機300包括傳導電荷消散元件、端環(huán)311以及例如彈簧313的偏壓元件，彈簧313被定向和定位，以便相對于軸將軸向力施加到端環(huán)311。由此，端環(huán)311在軸301轉動的同時保持與軸301和殼體305大致恒定接觸。雖然彈簧313在圖3中表示成螺旋彈簧，將理解到還可以使用其他適當?shù)钠珘涸?，并且在一些情況下可以更好地適用于特定應用。多種替代偏壓元件將結合軸301、端環(huán)311和殼體305的構造和結構的更加詳細的描述來說明。圖4是發(fā)電機軸端組件400的分解截面?zhèn)纫晥D，發(fā)電機軸端組件400中采用了與本發(fā)明的原理一致的電荷消散裝置和構造。軸401、端環(huán)403和彈簧405可以在此視圖中看至IJ?？梢钥吹?，軸401在其自由端(即其最靠近端環(huán)403的端部)處具有部分漸縮的減小直徑部分407。部分漸縮的減小直徑部分407用來確保端環(huán)403和彈簧405相對于軸401的自由端保持對中在軸線上。肩部409形成在軸401從其正常直徑過渡到自由端處的部分漸縮的減小直徑部分407的位置。雖然彈簧405表示成壓縮螺旋彈簧，將理解到可以替代地使用其他彈簧類型和構 造。例如，與具有類似質量的螺旋彈簧相比，波形彈簧能夠以更短的形式提供相同的行程和彈簧常數(shù)，使得安裝更加緊湊。替代地，可以使用小型片簧或指式彈簧元件。端環(huán)403由傳導材料制成，并在多種應用中由傳導金屬材料制成，該傳導金屬材料具有良好的耐磨性以及至少中等的潤滑性。在一種實施方式中，端環(huán)403由鑄造或加工的灰鐵制成。將理解到灰鐵通常是碳、硅和鐵的合金，碳主要是石墨形式(即除了鐵母體中作為珠光體意外包含的少量碳之外)。雖然由于石墨微型薄片的存在，灰鐵具有比許多其他合金低的延展強度和較低的韌性，這些薄片的存在將一些性能賦予合金，使其特別適用于端環(huán)44的構造。這些性能包括容易鑄造、用于生產(chǎn)和精加工的良好加工性能(即使在耐磨的硬度水平)、在端環(huán)403可能經(jīng)歷的摩擦加熱情況下的尺寸穩(wěn)定性、振動吸收性和中等的潤滑性。因此，假設端環(huán)403可以受到熱量、壓縮和摩擦，特別是如果外部潤滑失效，灰鐵是用于適應預料和未預料的載荷的良好材料，而退化或不穩(wěn)定性最小。在特別的實施方式中，端環(huán)403形成為在端蓋(圖4未示出)中具有徑向壓縮摩擦配合，并且還通過彈簧405貼靠軸401的肩部409偏壓。由此，端環(huán)403接觸殼體(圖4未示出)并還保持與軸401接觸，以便在兩者之間形成傳導路徑，使得任何積累的電荷得到平衡。這有效地防止所述機器的其他元件上的電壓累積和突然放電。就彈簧405而言，將理解到彈簧405應該具有足夠高的彈簧常數(shù)，并且應該以充分的預壓縮狀態(tài)安裝，以便提供足夠的力來保持端環(huán)403與軸401特別是軸肩部407接觸。但是，如果彈簧405被構造和安裝成使得過多的力施加到端環(huán)403，那么會出現(xiàn)端環(huán)403和/或肩部407的過度磨損，也會造成端環(huán)403在殼體內旋轉。這種現(xiàn)象將造成端環(huán)403的外周表面過多磨損，并會最終造成殼體和端環(huán)403之間的接觸間歇地破壞。在一種實施方式中，端環(huán)403例如通過油流或油脂的存在來連續(xù)潤滑，以防止粘接、磨傷或摩擦。潤滑源可以是專用源，或者可以與例如附近的套筒或軸承的其他部件共享。雖然端環(huán)403和彈簧405在圖4的分解視圖中分開表示，這兩個元件在特殊實施方式中被固定在一起以便提供安裝和移除的便利性，以及減小使得端環(huán)403在發(fā)電機的操作過程中旋轉的機會。此外，雖然端環(huán)403表示成具有矩形截面，端環(huán)403的截面形狀可以根據(jù)制造容易性、殼體內部形狀或任何其他特定應用的考慮來變化。例如，端環(huán)403可以形成為具有圓形、卵形、方形或其他改變的截面。此外，雖然端環(huán)403表示成連續(xù)的單件式部件，從端環(huán)403的公開操作和功能中將理解到還可以使用不連續(xù)和/或多個部件的環(huán)。例如，端環(huán)403可包括多個不同的弧形部件。作為例子，圖5表示單件式不連續(xù)端環(huán)501的前部示意圖?？梢钥吹剑谁h(huán)501是大致連續(xù)的，但是在其周邊上的一點處包括小間斷或間隙503。雖然這種間隙503不需要具有特定功能，將理解到間隙503可用來相對于殼體的配合部分的內直徑為端環(huán)501提供較寬的誤差范圍。此外，較大程度的軸向壓縮性將使得端環(huán)503在操作過程中補償沿著其外周表面的磨損，而不需要更換。在這種情況下，端環(huán)501的內直徑505的尺寸應該設置成在端環(huán)501處于其最壓縮狀態(tài)時離開軸(圖5未示出)。在所述例子中用于傳導部件的材料被描述為灰鐵。但是，將理解到可以具有適當?shù)奶娲?，這些替代雖然在某些方面具有略差的性能，但是在一個或多個其他方面具有優(yōu)越的性能。例如，可以使用具有不同韌性和硬度值的多種類型的鋼(不銹鋼和其他鋼)，如同也可使用例如銅、黃銅、鋁等其他傳導金屬。也可以使用例如石墨的廉價傳導非金屬，雖然這樣的一些材料會具有過多的磨損和其他問題。
在一種實施方式中，升級套件設置用于將所述系統(tǒng)和方法適用于先前未接地或者先前由其他裝置實現(xiàn)軸接地的發(fā)電機或馬達。升級套件將參考圖3來描述。在一種實施方式中，套件包括傳導端環(huán)311、端蓋307和圓柱形彈簧313。套件還包括例如具有聚合或金屬構造的密封環(huán)315，以便在安裝時將端蓋307密封到殼體305。軸接地升級套件被應用于轉動軸301的自由端，使得軸301與周圍固定發(fā)電機殼體305接地。傳導端環(huán)311形成有大致與端蓋307的內直徑相同的直徑。柱形彈簧313具有與端環(huán)311的直徑基本相同的直徑，使得彈簧313均勻地接觸端環(huán)311的表面。彈簧313具有彈簧常數(shù)，彈簧常數(shù)被選擇成使得彈簧313貼靠端環(huán)311在殼體305和/或端蓋307內的壓縮(在端環(huán)311、彈簧313和軸301同軸放置時)將保持環(huán)311與軸301和殼體305接觸，使得端環(huán)311相對于殼體305在轉動上保持固定。通過這些部件安裝成使得彈簧313被適當壓縮，軸301與殼體305接地，并且消除了損壞性的放電。在一個方面，齒、鍵或鍵槽設置在端環(huán)311上，以防止端環(huán)311相對于殼體305或端蓋307轉動。設置的齒、鍵或鍵槽的形狀與殼體305或端蓋307上的相應結構(例如通道、鍵或突出部)配合或干涉，以便圍繞其主要軸線固定端環(huán)305。工業(yè)實用性所述系統(tǒng)和方法適用于其中旋轉軸可能相對于例如殼體或外罩的附近元件變得充電的機器和裝置。此外，在這種充電累積到峰值時的損壞性放電的可能性通過所述系統(tǒng)在其多種實施方式(所示和從說明書和附圖中明白的)中得到解決。具有損壞性軸充電和放電危險的機器和裝置的例子包括許多類型的電動馬達和發(fā)電機。在本文中，本發(fā)明的系統(tǒng)有助于軸和殼體或外罩之間電荷的平衡，因此防止逐漸的電荷積累和經(jīng)由敏感機器部件的突然放電。此外，所述系統(tǒng)的構造使其消除了過多的空間要求和許多現(xiàn)有系統(tǒng)的高度復雜性，允許系統(tǒng)的低成本生產(chǎn)、安裝和維護或更換。將理解到所述說明提供了本發(fā)明系統(tǒng)和技術的例子。但是設想到本發(fā)明的其他應用會在細節(jié)上不同于以上例子。對于本發(fā)明及其例子的所有描述用來參考那時描述的特定例子，并不意欲對本發(fā)明的更寬泛的范圍施加任何限制。對于一些特征的區(qū)分和輕視的所有表述用來說明這些特征不是優(yōu)選的，而不完全將其排除在本發(fā)明的范圍之外，除非這里指明。除非這里另外指明，這里對于數(shù)值范圍的引用只是用作對于落入該范圍內每個單獨數(shù)值單獨引用的簡便方法，并且每個單獨數(shù)值被結合到說明書中，似乎是每個獨立數(shù)值在這里單獨引用那樣。這里描述的所有方法可以任何適當順序執(zhí)行，除非 這里另外指明或與本文明顯不符。
權利要求
1.一種用于消散固定殼體至少部分包含的轉動軸上的電荷的組件，其中所述殼體和所述軸通過一個或多個軸承分開，所述組件包括 環(huán)形傳導電荷消散部件；以及 偏壓元件，所述偏壓元件相對于所述軸被定向成將軸向力施加到所述環(huán)形傳導電荷消散部件，使得所述環(huán)形傳導電荷消散部件在所述軸轉動的同時保持與所述軸和所述殼體大致恒定接觸。
2.根據(jù)權利要求I所述的組件，還包括在所述環(huán)形傳導電荷消散部件與所述軸大致接觸的點處形成在所述軸上的肩部，所述肩 部的尺寸和形狀設置成接收所述環(huán)形傳導電荷消散部件。
3.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述偏壓元件是壓縮螺旋彈簧，所述壓縮螺旋彈簧具有基本上與環(huán)形傳導電荷消散部件的外直徑相同的外直徑并與所述軸同軸。
4.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述偏壓元件是壓縮波形彈簧，所述壓縮波形彈簧具有基本上與環(huán)形傳導電荷消散部件的外直徑相同的外直徑并與所述軸同軸。
5.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述環(huán)形傳導電荷消散部件圍繞其周邊在一個或多個位置處開放。
6.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述環(huán)形傳導電荷消散部件包括多個不同的弧形部件。
7.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述環(huán)形傳導電荷消散部件、所述殼體和所述偏壓元件的結構和尺寸被設置成使得所述環(huán)形傳導電荷消散部件在所述軸旋轉時相對于所述殼體保持固定。
8.根據(jù)權利要求I所述的組件，其中，所述殼體被電接地。
9.一種應用于轉動軸的自由端以使所述軸與周圍固定殼體接地的軸接地升級套件，所述殼體具有圍繞所述軸的自由端的部分并在所述部分處具有內直徑，所述套件包括 傳導環(huán)構件，所述傳導環(huán)構件具有基本上與所述殼體的主要直徑相同的直徑； 柱形彈簧，所述柱形彈簧具有與所述傳導環(huán)構件的直徑相同的直徑；以及 端蓋，所述端蓋具有用于容納所述柱形彈簧的柱形開口，使得在所述端蓋安裝在所述殼體上時，所述傳導環(huán)構件、彈簧和軸以相互同軸的關系定位，并且所述彈簧壓靠所述傳導環(huán)構件，以便保持所述環(huán)與所述軸和殼體接觸，使得所述傳導環(huán)構件相對于所述殼體在轉動上保持固定。
10.根據(jù)權利要求9所述的軸接地升級套件，其中，所述傳導環(huán)構件包括灰鐵，并且所述柱形彈簧是波形彈簧和螺旋彈簧中的一種。
全文摘要
一種用于對固定殼體包含的轉動軸放電的組件、系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括環(huán)形電荷消散部件和偏壓元件，偏壓元件被定向成將軸向力施加到電荷消散部件，從而在軸轉動的同時保持其與軸和殼體接觸。偏壓元件可以是螺旋彈簧或波形彈簧。軸接地升級套件包括傳導環(huán)構件和柱形彈簧，柱形彈簧具有與傳導環(huán)構件的直徑相同的直徑。柱形彈簧的彈簧常數(shù)使得彈簧將傳導環(huán)構件保持在殼體內與軸和殼體接觸。傳導環(huán)構件可以由灰鐵構成，并且柱形彈簧是波形彈簧和螺旋彈簧中的一種。
文檔編號H01R4/66GK102742085SQ201080062510
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2009年12月21日
發(fā)明者J·M·鮑曼 申請人:卡特彼勒公司