ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01R39/28 

Изобретение относится к токовым устройствам, предназначенным для передачи электрических сигналов между неподвижными и вращающимися узлами машин.

Известны токосъемные устройства, подвижные элементы которых выполнены в виде колец с концентрическими канавками с различными по форме сечениями: круглыми, треугольными, прямоугольными, трапецеидальными, а неподвижные - в виде проволоки или пучка упругих токоприводящих волокон, расположенных в канавке перпендикулярно оси вращения контактного кольца.

Недостатком этих конструкций является то, что довольно жестко ограничивается (геометрически) как число точек касания подвижного и неподвижного элементов, так и число неподвижных элементов (щеток), которые могут контактировать с одним подвижным (кольцом). Поэтому, чтобы повысить надежность электрического контакта, приходится увеличивать контурное даление, что приводит к возрастанию момента трения и интенсивности изнашивания контактной пары и, следовательно, к сокращению ресурса токосъемного устройства.

Имеется также техническое решение, в котором отмеченные выше недостатки устраняются за счет того, что оба элемента представляют систему скольжения вал-втулка и выполнены из коаксиально расположенных и вставленных друг в друга монолитных цилиндров или конусов. Оно выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого решения является то, что любая система скольжения вал-втулка позволяет осуществлять вращение без схватывания поверхности только при использовании смазки. При этом для получения невысоких моментов трения необходимо использовать достаточно толстый слой смазки, что неизбежно снижает надежность электрического контакта и повышает величину переходного сопротивления.

Целью изобретения является повышение надежности и ресурса токосъемного устройства за счет уменьшения контурного давления. Цель достигается тем, что контактируемые поверхности подвижного и неподвижного элементов (внешняя и внутренняя) являются поверхностями однополостного гиперболоида (фиг.1). Эти элементы расположены коаксиально, и один или оба выполнены из обрезков пучков упругих токопроводящих волокон (щеток), которые расположены вдоль линейных образующих однополостного гиперболоида. Если рассечь однополостной гиперболоид диаметральной плоскостью, то получают профиль сечения в виде двух ветвей гиперболы, изменяя параметры которой можно в широких пределах изменять номинальную площадь пятна контакта контактирующих элементов.

Количество пучков упругих токопроводящих волокон (щеток), которые могут контактировать с поверхностью другого элемента (кольца), ограничивается только геометрическими размерами кольца и щеток, а также углом наклона последних к плоскости, перпендикулярной оси вращения кольца. Следует отметить, что традиционная терминология щетка - кольцо для предлагаемого устройства довольно условна, так как любой из элементов, который выполнен из обрезков токопроводящих волокон, расположенных вдоль образующих однополостного гиперболоида, независимо от того, подвижен он или нет, может играть роль щетки.

На фиг.2 изображено токосъемное устройство, выполненное в виде двух контактирующих колец с общей осью вращения, но разной ширины. Внутренняя поверхность наружного кольца 2 и внешняя поверхность внутреннего кольца 1 являются поверхностями однополостного гиперболоида с одинаковыми параметрами. Эти две поверхности совпадают друг с другом по поверхности скольжения. Если рассматривать их сечения диаметральной плоскостью, то линией скольжения является часть гиперболы (на фиг.2 выполнена жирной линией). Каждый из гиперболоидов образован упругими токопроводящими волокнами 3, расположенными по прямолинейным образующим и закрепленными в шайбах 4 и 5 неодинакового диаметра. Упругие волокна внешнего кольца принадлежат одному семейству прямолинейных образующих однополостного гиперболоида, а внутреннего - другому семейству. Любое из этих колец может играть роль как подвижного, так и неподвижного элемента. Упругие волокна внешнего и внутреннего колец принадлежат разным семействам прямолинейных образующих одного и того же однополостного гиперболоида, и поэтому пересекаются друг с другом, создавая площади номинального контакта, число которых определяется количеством упругих проводящих волокон. При вращении одного кольца относительно другого происходит скольжение упругих токопроводящих волокон внешнего и внутреннего колец друг к другу, обеспечивающее непрерывный контакт коммутирующих цепей, связанных с подвижным и неподвижным кольцами.

На фиг. 3 изображено токосъемное устройство, в котором в отличие от описанного выше внутреннее кольцо (подвижный элемент) 6 выполнено монолитным. Внешнее кольцо (неподвижный элемент) 7 выполнено из отрезков пучков упругих токопроводящих волокон, концы которых закреплены в шайбах, а прямые участки (между точками закреплены) расположены вдоль прямолинейных образующих однополостного гиперболоида, поверхностью которого является внешняя поверхность подвижного элемента 6.

На фиг.4 изображено токосъемное устройство, в котором монолитным выполнено внешнее кольцо (неподвижный элемент) 8, а внутреннее кольцо (подвижный элемент) 9 выполнено из упругих токопроводящих волокон.

На фиг. 5 и 6 изображено токосъемное устройство, в котором подвижный элемент выполнен в виде кольца 10 с канавкой гиперболического профиля, а пучок упругих токопроводящих волокон согнут в виде скобы 11, в средней части неподвижно закрепленной в держателе 12. Прямые участки скобы расположены вдоль прямолинейных образующих однополостного гиперболоида, поверхностью которого является поверхность канавки подвижного элемента.

На фиг. 7 и 8 изображено токосъемное устройство, которое отличается от описанного выше тем, что упругие токопроводящие волокна контактируют по внутренней поверхности кольца 13, имеющего гиперболическое сечение. Пучок упругих токопроводящих волокон 14 изогнут по периметру ребер двух смежных граней тетраэдра и закреплен в держателе 15. Прямые участки упругих волокон (ребра тетраэдра) расположены вдоль прямолинейных образующих поверхности однополостного гиперболоида.

Предлагаемые конструкции токосъемных устройств позволяют снизить контурное давление до величин, обеспечивающих упругий контакт, что существенно уменьшает интенсивность изнашивания контактной пары при сохранении высокой надежности коммутации электрических сигналов.

Эксперименты с токосъемным устройством, выполненным по схеме, представленной на фиг. 5 и 6, показали, что при прочих равных условиях интенсивность изнашивания кольца уменьшается приблизительно на порядок по сравнению с устройством, в котором щетки располагаются перпендикулярно оси вращения кольца.

Использование: в токосъемниках для передачи электрических сигналов. Сущность изобретения: подвижные и неподвижные контактные кольца выполнены в виде пучка токопроводящих волокон 3, которые закреплены в щеткодержателях 4 и расположены по прямолинейным образующим двух разных семейств однополостного гиперболоида. Поверхность гиперболоида является поверхностью относительного скольжения внешнего 1 и внутреннего колец 2. 4 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО для снятия токовой нагрузки с вращающейся части машин, включающее коаксиально расположенные относительно друг друга подвижный неподвижный контактные элементы, закрепленные в держателях, контактирующие по сопряженной поверхности, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности электрического контакта и ресурса работы устройства, по крайней мере один контактный элемент выполнен из отрезков пучков упругих токопроводящих волокон, расположенных по прямолинейным образующим одного их семейств прямолинейных образующих однополостного гиперболоида. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный контактный элемент выполнен в виде монолитного кольца, внешняя поверхность которого имеет форму поверхности однополосного гиперболоида, расположенного внутри неподвижного контактного элемента, выполненного из отрезков пучков упругих токопроводящих волокон. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что неподвижный элемент выполнен в виде скобы из пучка упругих токопроводящих волокон, средняя часть которых закреплена, а свободные концы согнуты так, что прямые участки расположены по прямолинейным образующим однополостного гиперболоида. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что неподвижный элемент выполнен в виде монолитного кольца, внутренняя поверхность которого является поверхностью однополостного гиперболоида, а подвижный - в виде кольца из отрезков пучков упругих токопроводящих волокон. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде изогнутого по периметру ребер двух смежных граней тетраэдра пучка упругих токопроводящих волокон, расположенных вдоль прямолинейных образующих однополосного гиперболоида.