專利名稱：電刷、整流子和整流設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電刷、整流子和整流設(shè)備，其用于旋轉(zhuǎn)電機如電動機和發(fā)電機中。
背景技術(shù)：
通常，在電機如直流馬達中，在定子上設(shè)置一對電刷，在轉(zhuǎn)子上設(shè)置一個整流子。在轉(zhuǎn)子中，多個電樞繞組分別連接到整流子的多個整流子片上。所述一對電刷依次壓靠在整流子片上，以向電樞繞組供給電流，由此驅(qū)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
然而，電刷和整流子片之間歇并重復(fù)地相互接觸。因此，電刷和整流子片之間的接觸表面由于斷續(xù)的傳導(dǎo)而可能受到電磨損，另外由于壓力接觸而受到機械磨損。這種電磨損由放電現(xiàn)象(電火花)所造成，該放電現(xiàn)象在電刷與整流子片重復(fù)接觸和分離時發(fā)生。
為了降低這種放電現(xiàn)象，如特開平5-15114中所披露，已知可采用層壓電刷，所述層壓電刷由兩層構(gòu)成，其中銅相對石墨的含量是不同的。具體地說，相對于整流子的旋轉(zhuǎn)方向而言，所述電刷在前導(dǎo)側(cè)具有高含銅量部，在尾側(cè)具有低含銅量部，其中，所述低含銅量部的含銅量低于所述高含銅量部的含銅量。借助于這種結(jié)構(gòu)，在不降低旋轉(zhuǎn)電機的性能的情況下，所述電刷的壽命得到提高。
然而，在上述電刷中，由高含銅量部來維持性能如導(dǎo)電性，并由低含銅量部來改進抗磨損性。因此，難以進一步提高電刷和整流子的整流性(整流特性)和耐久性。
在特開2003-100411所披露的電刷中，在電刷表面上形成多組突起，所述電刷表面與整流子的整流子表面接觸。此外，相對于整流子的旋轉(zhuǎn)方向而言，這些突起以不同的相位形成。借助于這種結(jié)構(gòu)，抑制了初始振動，并提高了電刷的耐久性。而且，通過將20wt％或更低的氮化硼作為潤滑劑加入導(dǎo)電金屬粉末如銅粉、石墨粉和粘結(jié)劑中來生產(chǎn)電刷。然而，這種電刷由單層構(gòu)成。因此，難以進一步提高整流性和耐久性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題而提出，本發(fā)明的一個目的是提供一種電刷、整流子和整流設(shè)備，其整流性和耐久性得到提高。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，與整流子的整流子片接觸的電刷具有由低電阻材料制成的低電阻層和由高電阻材料制成的高電阻層，所述高電阻材料具有比所述低電阻材料高的電阻率。此外，相對于高電阻材料的總重量而言，該高電阻材料含有大于20wt％的無機物質(zhì)，其中，所述無機物質(zhì)的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
因而，通過在高電阻層中加入具有高電阻率的無機物質(zhì)來有意降低電刷的傳導(dǎo)率，由此提高整流性和耐久性。也就是說，在具有上述電刷和整流子的旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)過程中，電流可以很容易地從電刷的低電阻層傳遞到與電刷相對的整流子片(第一整流子片)。
然后，在電刷與鄰接第一整流子片的整流子的第二整流子片接觸時，低電阻層與第二整流子片相對，且高電阻層與第一整流子片相對，其中，后二者之間的接觸面積較小。此時，由于高電阻層的傳導(dǎo)率降低，電流可很容易地從低電阻層傳遞到第二整流子片。相反，高電阻層和第一整流子片之間的電流量降低。于是，電刷的高電阻層和第一整流子片之間的電壓增加便得到抑制，由此降低了其間的放電現(xiàn)象、如電火花的發(fā)生率。
以這種方式，電刷和整流子片之間的傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)便相互明顯區(qū)分出來。因此，旋轉(zhuǎn)電機的整流性提高。此外，由于抑制了電刷和整流子片之間發(fā)生放電現(xiàn)象，電刷和整流子的耐久性得到提高。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，與電刷接觸的每個整流子片具有低電阻層和高電阻層。所述低電阻層由低電阻材料制成，所述高電阻層由高電阻材料制成，所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。此外，相對于高電阻材料的總重量而言，該高電阻材料含有大于20wt％的無機物質(zhì)，其中，所述無機物質(zhì)的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
因而，通過將無機物質(zhì)加入高電阻材料中，可以有意降低高電阻層的傳導(dǎo)率。在具有上述整流子片和電刷的旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)過程中，電流可很容易地從電刷傳遞到與電刷相對的第一整流子片的低電阻層。此外，在電刷與鄰接第一整流子片的第二整流子片接觸時，電刷以小的接觸面積與第二整流子片的低電阻層以及第一整流子片的高電阻層相對。
由于高電阻層的傳導(dǎo)率降低，電流可很容易地從第二整流子片傳遞到電刷。相反，流經(jīng)電刷和第一整流子片的高電阻層之間的電流量降低。因而，降低了電刷和第一整流子片之間的放電現(xiàn)象的發(fā)生率。
因而，由于整流子片和電刷之間的傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)可明顯相互區(qū)分開來，整流性得到提高。此外，由于抑制了放電現(xiàn)象，電刷和整流子的耐久性得到提高。


本發(fā)明的其他目的、特點和優(yōu)點將從下面參考附圖的詳細描述中變得顯而易見，其中，相同的部件采用相同的附圖標記表示，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的直流馬達的示意性視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的整流子在沿著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線觀察時的俯視圖；圖3是沿著圖2的III-III線所看到的整流子的橫截面視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電刷和整流子的示意性截面圖，其中，所述電刷與第一整流子片接觸；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電刷和整流子的示意性截面圖，其中，所述電刷與第一整流子片和第二整流子片接觸；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電刷和整流子的示意性截面圖，其中，所述電刷與第一整流子片接觸；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電刷和整流子的示意性截面圖，其中，所述電刷與第一整流子和第二整流子接觸；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例示出了高電阻層的電阻率和電刷的磨耗率之間的關(guān)系的圖表；圖9是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例示出了六方氮化硼的混合比和高電阻層的電阻率之間的關(guān)系的圖表；圖10是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例示出了六方氮化硼的混合比和高電阻層的比重之間關(guān)系的圖表；圖11是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例示出了六方氮化硼的混合比和高電阻層的彎曲強度之間關(guān)系的圖表；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例示出了六方氮化硼的混合比和高電阻層的硬度之間關(guān)系的圖表；
圖13是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例示出了高電阻層的電阻率增加所經(jīng)歷的時間和增大率之間關(guān)系的圖表；圖14是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例示出了高電阻層的孔隙率和高電阻層的電阻率的增大率之間關(guān)系的圖表；以及圖15是根據(jù)本發(fā)明的第九實施例示出了操作時間和整流子片的表面不平度大小之間關(guān)系的圖表。
具體實施例方式
以下將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)參考圖1和2，第一實施例的電刷4和整流子5用于作為旋轉(zhuǎn)電機的直流馬達。直流馬達1具有定子2和轉(zhuǎn)子3，其中，所述定子2設(shè)有永磁體或勵磁線圈，所述轉(zhuǎn)子3設(shè)有多個電樞繞組31。一對電刷4設(shè)在定子2上，以供應(yīng)直流電。所述整流子5連接到轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)子軸32上。整流子5具有多個整流子片6，所述多個整流子片6分別連接到電樞繞組31上，如圖4和5所示。
如圖2和3所示，整流子5是扁平型的，并置于轉(zhuǎn)子3的軸向端表面上，以與電刷4接觸。具體地說，整流子片6安裝在盤形的樹脂體部件51上。整流子片6自樹脂體部件51的中心511沿徑向延伸。此外，鄰接的整流子片之間形成間隙60，以在其間提供絕緣。
此外，如圖3所示，連接部件52設(shè)在每個整流子片6和樹脂體部件51之間。因此，每個整流子片6通過連接部件52連接到電樞繞組31上。彈簧45將所述電刷4朝向整流子5推壓。因此，電刷4沿整流子5的軸向與該整流子5接觸。
直流馬達1例如用于車輛的燃料泵中。在直流馬達1中，轉(zhuǎn)子3沿一個方向R旋轉(zhuǎn)，如圖2、4和5所示。每個整流子片6具有兩層。具體地說，相對于旋轉(zhuǎn)方向R而言，整流子片6在前導(dǎo)側(cè)具有低電阻層61，并在尾側(cè)具有高電阻層62。此外，沿旋轉(zhuǎn)方向R，電刷4的寬度小于整流子片6的寬度。
這里，低電阻層61由低電阻材料制成。高電阻層62由高電阻材料制成，其中，所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
此外，低電阻材料含有碳材料和粘結(jié)劑。高電阻材料含有碳材料、粘結(jié)劑和作為無機物質(zhì)的氮化硼(BN)。氮化硼的混合比大于高電阻材料的總重量的20wt％。
更具體地說，通過將酚醛樹脂作為粘結(jié)劑加入碳材料如石墨中來制造低電阻材料。通過將酚醛樹脂作為粘結(jié)劑加入包括氮化硼和碳材料如石墨的混合材料中來生產(chǎn)高電阻材料。這里，氮化硼在混合材料中的含量在65wt％至85wt％之間的范圍內(nèi)。在該實施例中，六方氮化硼(h-BN)用作氮化硼。此外，通過將酚醛樹脂作為粘結(jié)劑加入碳材料如石墨中來生產(chǎn)電刷4。
因而，在該實施例的整流子5中，具有高電阻率的氮化硼被主動加入到高電阻層62的高電阻材料中。因此，高電阻層62的傳導(dǎo)率被有意降低，由此提高了整流性和耐久性。
接下來，將描述直流馬達1的運行狀況和由整流子5所產(chǎn)生的有利效果。
參考圖4，在每個電刷4與第一整流子片6A(其為多個整流子片6中的其中一個)相對時，電流I通過電刷4和第一整流子片6A的低電阻層61供給到電樞繞組31。因此，轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)。此時，由于電流I流經(jīng)其電阻率低于高電阻層62的電阻率的低電阻層61，從而充分維持了電刷4和第一整流子片6A之間的傳導(dǎo)率。
然后，在轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)作用下，電刷4開始與鄰接第一整流子片6A的第二整流子片6B接觸。在與電刷4相對的整流子片6從第一整流子片6A移動到第二整流子片6B的同時，電刷4與第二整流子片6B的低電阻層61以及第一整流子片的高電阻層62相對，且其與高電阻層62之間的接觸面積較小，如圖5所示。
由于高電阻層62的傳導(dǎo)率被有意降低，電流I可容易地流經(jīng)電刷4和第二整流子片6B的低電阻層61之間。相反，流經(jīng)電刷4和第一整流子片6A的高電阻層62之間的電流I的量受到抑制。
也就是說，在與電刷4相對的整流子片6從第一整流子片6A移動到第二整流子片6B時，電刷4和第一整流子片6A之間的相對區(qū)域(接觸面積)降低。因此，其間的電阻增大。此時，由于高電阻層62和低電阻層61之間的電阻差，電流I可容易地供給到低電阻層61。相反，殘留在高電阻層62中的電流I降低。因而，由放電現(xiàn)象造成的損害、如電刷4和整流子片6的磨損得到抑制。
此外，高電阻層62含有高熱阻的氮化硼。因此，即使在電刷4和第一整流子片6A之間的電壓增大時，第一整流子片6A的高電阻層62被高度加熱，高電阻層62的磨損從而得到有效降低。
這里，為便于描述，使用了第一整流子片6A和第二整流子片6B。通過任何整流子片6可以提供上述有利效果。
因而，電刷4和整流子5之間的傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)被顯著地相互區(qū)分開。因此，直流馬達1的整流性得到提高。而且，由于電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象在整流子5中得到抑制，所以電刷4和整流子5的耐久性得到提高。
在低電阻層61的低電阻材料中，優(yōu)選含有石墨顆粒，所述石墨顆粒具有銅板涂層或銅鍍層(copper plate coatings)。在這種情況下，低電阻層61的接觸電阻降低。這將在以后的第七實施例中更詳細描述。
在含有氮化硼的高電阻層62的高電阻材料中，優(yōu)選其孔隙率等于或低于30％。這在電刷5和整流子5用在液體中時是有利的，這是因為，高電阻層62的電阻率超時增加得到抑制。這將在以后的第八實施例中更詳細描述。
在由石墨和粘結(jié)劑制造的電刷4中，優(yōu)選所述石墨包括碳纖維。在這種情況下，電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象還可進一步有效降低。這將在以后的第九實施例中更詳細描述。這種電刷4和上述整流子5構(gòu)成一整流設(shè)備。
(第二實施例)參考圖6和7，第二實施例的直流馬達1具有一對電刷4，每個電刷由兩個電阻層構(gòu)成，所述整流子5具有多個整流子片6，每個整流子片由單層構(gòu)成。具體地說，每個電刷4具有一個由低電阻材料制成的低電阻層41和一個由高電阻材料制成的高電阻層42，其中，所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
低電阻材料含有碳材料和粘結(jié)劑。高電阻材料含有碳材料、粘結(jié)劑和作為無機物質(zhì)的氮化硼。這里，相對于高電阻材料總重量而言，氮化硼的混合比高于20wt％。
第二實施例的直流馬達1用于車輛的燃料泵中，直流馬達1的轉(zhuǎn)子3沿著方向R旋轉(zhuǎn)。如圖6和7所示，相對于旋轉(zhuǎn)方向R而言，每個電刷4在前導(dǎo)側(cè)具有高電阻層42，在尾側(cè)具有低電阻層41。這里，沿旋轉(zhuǎn)方向R，電刷4的寬度小于每個整流子片6的寬度。
低電阻層41的低電阻材料與第一實施例的低電阻層61的低電阻材料相同。而且，高電阻層42的高電阻材料與第一實施例的高電阻層62的高電阻材料相同。此外，整流子片6由與第一實施例的電刷4的材料相同的材料制成。
在電刷4中，高電阻層42的高電阻材料含有氮化硼，所述氮化硼的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。因此，高電阻層42的傳導(dǎo)率被有意降低，以由此提高整流性和耐久性。
接下來，將描述具有上述電刷4的直流馬達1的運行狀況和電刷4所產(chǎn)生的有利效果。
如圖6所示，在每個電刷4與第一整流子片6A相對時，電流I通過低電阻層41和第一整流子片6A被供給到電樞繞組31。因此，轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)。此時，由于電流I流經(jīng)其電阻率低于高電阻層42的電阻率的低電阻層41，電刷4和第一整流子片6A之間的傳導(dǎo)率被充分維持。
然后，隨著轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)，每個電刷4與鄰接第一整流子片6A的第二整流子片6B相對，如圖7所示。在與電刷4相對的整流子片從第一整流子片6A移動到第二整流子片6B時，高電阻層42與第一整流子片6A相對，且其間的接觸面積較小，低電阻層41與第二整流子片6B相對。
由于有意降低了高電阻層42的傳導(dǎo)率，電路I可很容易地從低電阻層41和第二整流子片6B流過。另一方面，從高電阻層42流到第一整流子片6A的電流I的量降低。也就是說，在與電刷4相對的整流子片6從第一整流子片6A移動到第二整流子片6B時，高電阻層42和第一整流子片6A之間的相對區(qū)域(接觸面積)降低。
因此，電刷4和第一整流子片6A之間的電阻增大。此時，通過低電阻層41和高電阻層42之間的電阻差，電流I可很容易地通過低電阻層供給。反之，殘留在高電阻層42內(nèi)的電流I降低。因此，由于放電現(xiàn)象所造成的損害、如電刷4和整流子片6的磨損降低。
此外，高電阻層42含有氮化硼，其具有高熱阻。即使在高電阻層42和第一整流子片6A之間的電壓增大時高電阻層42被高度加熱，高電阻層42的磨損也可有效降低。這里，為便于描述，采用了第一整流子片6A和第二整流子片6B。
因而，整流子5和電刷4之間的傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)可通過高電阻層42和低電阻層41顯著地區(qū)分開。因此，直流馬達1的整流性得到提高。另外，由于電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象受到抑制，電刷4和整流子片6的耐久性得到提高。
除了電刷4和整流子片6之外，第二實施例的結(jié)構(gòu)與第一實施例的結(jié)構(gòu)類似。因此，第二實施例的直流馬達1提供了與第一實施例類似的有利效果。
在用于燃料泵的直流馬達中，由于在電刷和整流子之間殘留有燃料，易于發(fā)生放電現(xiàn)象。這種放電現(xiàn)象導(dǎo)致電刷4和整流子片6的磨損。通過在直流馬達1中采用第二實施例的電刷4或者第一實施例的整流子5，有效降低了電磨損的發(fā)生。這種整流子5和上述電刷4構(gòu)成一整流設(shè)備。
(第三實施例)下面將描述第一實施例的整流子5和第二實施例的電刷4的制造方法的示例。
帶有兩個電阻層41、42、61、62的整流子片6和電刷4的制造步驟如下首先，作為制造高電阻材料的方法，將碳粉如石墨(例如20wt％的天然石墨粉末，其平均粒徑為30μm)和無機物粉末如氮化硼(如75wt％的六方氮化硼粉末，其平均粒徑為10μm)相互混合在一起。然后，將酚醛清漆樹脂(如重量比為15)作為粘結(jié)劑加入混合粉末(重量比為100)中，其中，所述酚醛清漆樹脂溶解在甲醇溶液(如重量比為30)中。此外，用混合機進行所述混合，并由此生產(chǎn)混合材料。
之后，在干燥機中干燥混合材料，以蒸發(fā)甲醇。因此，獲得了一塊高電阻材料。此外，由沖擊式粉碎機將所述高電阻材料壓碎，并通過預(yù)定的濾網(wǎng)過濾。以這種方式，制造出高電阻材料粉末。
作為低電阻材料粉末的制造方法，首先，將碳粉如石墨(例如100wt％的天然石墨粉末，其平均粒徑為30μm)和作為粘結(jié)劑的酚醛清漆樹脂(其溶解于甲醇溶液中)相互混合在一起。類似地，混合材料被干燥，以蒸發(fā)甲醇，并將其壓碎。因而，制造出低電阻材料粉末。
接下來，通過采用粉末冶金壓縮方法，將低電阻材料粉末和高電阻材料粉末交替排列在預(yù)定形狀的成形模具中并用壓力機施壓。因此，生產(chǎn)出預(yù)定形狀的壓塊。然后，將壓塊置于電爐內(nèi)并在還原氣氛中加熱至900℃。因此，粘結(jié)劑通過碳化被分解和燃燒。以這種方式，生產(chǎn)出具有兩個電阻層41、42、61、62的電刷4和整流子5。
(第四實施例)在第四實施例中，將描述加入高電阻層42、62的高電阻材料中的無機物質(zhì)的選用。
如以下表1所示，鑒于電阻率(Ω·cm)、沸點(℃)和莫氏硬度來檢驗可用作無機物質(zhì)的物質(zhì)。莫氏硬度用15級表示。級15表示最硬的級。
在表1中，“+”表示其適合用作無機物質(zhì)。“0”表示其可以用來作為無機物質(zhì)?！?”表示其較不適合用作無機物質(zhì)。而且，(CF)n表示氟化碳。
表1 具體地說，就電阻率而言，可以認為，除了碳(C)之外的物質(zhì)均適合用作無機物質(zhì)。就沸點而言，認為沸點越高，熱阻越高?；谶@一點，每個物質(zhì)的沸點用三種級別評價?！?”表示最高級別，“-”表示最低級別。
就莫氏硬度而言，認為具有與低電阻材料41、61的莫氏硬度類似的莫氏硬度的物質(zhì)的磨耗率也類似于低電阻材料的磨耗率。此外，這種物質(zhì)可抑制由于電刷振動而發(fā)生的放電現(xiàn)象。因此，莫氏硬度為1-2的物質(zhì)更加合適，其與碳的莫氏硬度類似。
由于上述試驗結(jié)果，二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、六方氮化硼(h-BN)、高嶺土、滑石等可用作無機物質(zhì)。
(第五實施例)
在第五實施例中，檢驗高電阻層62的磨耗率。這里，高電阻層含有用作無機物質(zhì)的MoS2、WS2、h-BN、高嶺土、滑石中的一種。在試驗中，整流子片的高電阻層由下述高電阻材料I至VII制成。
I通過將95wt％的MoS2和5wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末(混合材料)的高電阻材料。
II通過將95wt％的WS2和5wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
III通過將65wt％的h-BN和35wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
IV通過將75wt％的h-BN和25wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
V通過將75wt％的高嶺土和25wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
VI通過將55wt％的滑石和45wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
VII通過將75wt％的滑石和25wt％的碳材料以及粘結(jié)劑混合所獲得的含有混合粉末的高電阻材料。
在上述試樣I到VII中，相對于100重量比的混合粉末而言，粘結(jié)劑的重量比是15。粘結(jié)劑是酚醛清漆樹脂。
在磨損試驗中，直流馬達被旋轉(zhuǎn)預(yù)定的時間周期，其中，所述直流馬達具有整流子片，在所述整流子片中，高電阻層由I至VII的每個高電阻材料制成。如圖8所示，對每個直流馬達中的電刷4的磨耗率進行測量。在圖8中，水平軸線表示高電阻層62的電阻率(104μΩ·cm)，垂直軸線表示電刷4的磨耗率(單位時間內(nèi)的磨耗量)(mm/kHr)。
如圖8所示，在試樣III、IV、V和VII中，電刷4的磨耗率較低。因此，可以認為試樣III、IV、V和VII中所含的無機物質(zhì)適合用作高電阻材料中的無機物質(zhì)。另一方面，在試樣I、II和VI中，電刷4的磨耗率相對較高。因此，一些新發(fā)明需要使用試樣I、II和VI中所含的無機物質(zhì)作為高電阻材料。
(第六實施例)在上述實施例中，可以認為六方氮化硼適合用作高電阻材料的無機物質(zhì)。因此，在第六實施例中，對含有六方氮化硼和碳材料的高電阻層42、62的電阻率、比重、彎曲強度和硬度進行測量。如圖9至12所示，六方氮化硼和碳材料的混合比是變化的。
在高電阻層42、62中，通過將酚醛清漆樹脂(重量比為15)作為粘結(jié)劑加入含有六方氮化硼和碳材料的混合材料(重量比為100)中，可以制造高電阻材料。六方氮化硼與混合材料之間的混合比在45wt％和100wt％之間變化。例如，在六方氮化硼的混合比為45wt％時，碳材料的比率為55wt％。在六方氮化硼的混合比為100wt％時，不含碳材料。
在圖9中，水平軸線表示六方氮化硼的混合比(wt％)。垂直軸線表示高電阻層42、62的電阻率(μΩ·cm)。對電阻率根據(jù)六方氮化硼的混合比的變化而作的變化進行測量。如圖9所示，在六方氮化硼的混合比增大時，高電阻層42、62的電阻率具有很大的提高。
圖10中，水平軸線表示六方氮化硼的混合比(wt％)。垂直軸線表示高電阻層42、62的比重。對比重根據(jù)六方氮化硼的混合比的變化所作的變化進行測量。如圖10所示，高電阻層42、62的比重隨著六方氮化硼的混合比的增大而降低。
在圖11中，水平軸線表示六方氮化硼的混合比(wt％)，垂直軸線表示高電阻層42、62的彎曲強度(MPa)。對彎曲強度隨著六方氮化硼的混合比的變化所作的變化進行測量。如圖11所示，高電阻層42、62的彎曲強度隨著六方氮化硼的混合比的增大而降低。
在圖12中，水平軸線表示六方氮化硼的混合比(wt％)，垂直軸線表示高電阻層42、62的硬度(HsC)。對硬度隨著六方氮化硼的混合比的變化所作的變化進行測量。如圖12所示，高電阻層42、62的硬度隨著六方氮化硼的混合比的增大而降低。
因而，電阻率隨著混合比的變化而具有較大變化，盡管比重、彎曲強度和強度沒有顯著改變。因此，電阻率較大地影響了電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象的發(fā)生。優(yōu)選對六方氮化硼的混合比進行確定，以使電阻率處于合適的范圍內(nèi)。具體地說，優(yōu)選高電阻層的電阻率在20×104μΩ·cm(2×10-3Ω·m)和30×104μΩ·cm(3×10-3Ω·m)的范圍內(nèi)，六方氮化硼與混合材料之間的混合比在65wt％和85wt％之間的范圍內(nèi)。
(第七實施例)在第七實施例中，以下述方式證實了由含有石墨顆粒的低電阻材料所得到的效果，其中，所述石墨顆粒帶有銅板涂層。
在一個試驗中，采用直流馬達(旋轉(zhuǎn)電機)10，其具有整流子5和一對電刷4。測量當直流馬達10在空氣中操作以及在作為液體條件的汽油中操作時電刷4和整流子5之間的接觸電阻。
具體地說，測量從一個電刷4通過整流子5和電樞繞組流到另一個電刷4的電流的電壓(V)?？梢哉J為，電壓越高，接觸電阻越大。這里，不考慮電刷4和整流子5的電阻率，因為那些部件的電阻率遠小于上述接觸電阻。
在直流馬達10中，每個整流子片6由單層低電阻材料層構(gòu)成。此外，所述低電阻材料含有石墨顆粒，所述石墨顆粒具有銅板涂層。石墨顆粒中，銅含量為65wt％。電刷4含有石墨和由酚醛樹脂制成的粘結(jié)劑。
作為參考，參考直流馬達的接觸電阻(電壓)被測量。在參考直流馬達中，每個整流子片由單層低電阻材料層構(gòu)成，所述低電阻材料層含有石墨顆粒，所述石墨顆粒沒有銅板涂層。
直流馬達10和參考直流馬達置于空氣和汽油中。測量直流馬達處于停機以及直流馬達操作時的接觸電阻。在操作過程中，隨著各直流馬達的運行狀況，負載電流(從一個電刷4通過整流子5和電樞繞組施加到另一個電刷4上的電流)為5A，轉(zhuǎn)速為6000rpm。試驗結(jié)果在表2中示出。
表2

如表2所示，在任何試驗條件下，直流馬達10的接觸電阻均小于參考馬達的接觸電阻。特別地，就參考直流馬達而言，在操作過程中，其在汽油中的接觸電阻遠大于在空氣中的接觸電阻。另一方面，就直流馬達10而言，在操作過程中，其在汽油中的接觸電阻低于在空氣中的接觸電阻。
因而，在低電阻層61的低電阻材料含有具有銅板涂層的石墨顆粒時，在汽油中操作時，電刷4和整流子5之間的接觸電阻顯著降低。在電刷4由低電阻層41和高電阻層42構(gòu)成時，可以獲得類似的結(jié)果。
(第八實施例)對用于高電阻層42、62的高電阻材料的孔隙率(％)和電阻率(％)之間的關(guān)系進行試驗，以證實在孔隙率降低時由高電阻層42、62所獲得的效果。
通過將酚醛樹脂粘結(jié)劑加入混合材料中來生產(chǎn)高電阻層42、62的一試樣，其中，所述混合材料含有75wt％的六方氮化硼和25wt％的石墨。此外，制備了具有不同孔隙率的多個試樣。每個試樣被浸入汽油中，并施加電流(0.1A)。在這種條件下，測量每個試樣隨著時間推移發(fā)生的電阻率變化。
圖13是示出試樣的電阻率增加的一個圖表，其中，所述試樣的孔隙率為22％。水平軸線表示經(jīng)過的時間(Hr)，垂直軸線表示電阻率的增加(％)。這里，在初始狀態(tài)，試樣的初始電阻率為100％。測量基于隨時間推移電阻率相對于初始電阻率的增大率(％)所產(chǎn)生的電阻率的增加(％)。
根據(jù)圖13所示的圖表，電阻率的增大率隨時間推移而增大。然而，在經(jīng)過了預(yù)定時間之后，增大率變得穩(wěn)定。也就是說，電阻率增大，同時汽油充滿試樣的孔隙中。在孔隙充滿汽油時，電阻率的增加變?yōu)榉€(wěn)定。
基于上述結(jié)果，孔隙率(％)和電阻率的增加(％)之間的關(guān)系在圖14的圖表中示出。水平軸線表示試樣的孔隙率(％)。垂直軸線表示試樣在浸沒于汽油中250小時之后的電阻率的增大率。根據(jù)圖表，電阻率隨著孔隙率的增大而增大。
在使用直流馬達時，如果高電阻層42、62的電阻率增加很大(如增大率等于或高于60％)時，其可能影響整流性。因此，優(yōu)選使高電阻層42、62的孔隙率等于或低于30％。此外，優(yōu)選將電阻率的增大率降低至等于或低于20％。因此，更優(yōu)選使高電阻層42、62的孔隙率等于或低于20％。
如果孔隙率超過30％，高電阻層42、62的強度可能不足。然而，難以生產(chǎn)孔隙率很低的高電阻層42、62。因此，優(yōu)選使其孔隙率等于或高于15％。這里，通過在成形高電阻層42、62時增大成形壓力，使孔隙率很容易地降低。
(第九實施例)證實電刷4的耐久性，其中，所述電刷4與整流子片6接觸，所述整流子片6具有低電阻層61和高電阻層62。通過將酚醛樹脂作為粘結(jié)劑加入含有碳纖維(CF)的石墨中來制造電刷4。
對形成于整流子片6表面上的不平度(突起或凹坑)(mm)隨直流馬達的操作時間的推移(Hr)發(fā)生的變化進行測量。
作為試樣，準備直流馬達S1至S3。每個馬達具有電刷4，其中，通過將酚醛樹脂粘結(jié)劑加入混合材料中來制造電刷4，所述混合材料含有碳纖維和石墨。這里，在馬達S1中，混合材料含有1wt％的碳纖維和99wt％的石墨。在馬達S2中，混合材料含有2wt％的碳纖維和98wt％的石墨。在馬達S3中，混合材料含有3wt％的碳纖維和97wt％的石墨。碳纖維的每個纖維的長度在30μm至300μm之間的范圍內(nèi)。每個纖維的直徑在5μm至15μm之間的范圍內(nèi)。
通過將酚醛樹脂粘結(jié)劑加入石墨中來生產(chǎn)低電阻層61的低電阻材料。通過將酚醛樹脂粘結(jié)劑加入到混合材料中來生產(chǎn)高電阻層62的高電阻材料，其中，所述混合材料含有75wt％的六方氮化硼和25wt％的石墨。
對上述整流子片6上的表面不平度變化進行測量，其在圖15的圖表中示出。在試驗中，每個馬達S1至S3采用兩個試樣。
根據(jù)結(jié)果，盡管三個試樣馬達S1至S3的表面不平度隨時間推移而增大，但是，表面不平度的增加并不顯著。因此，可以認為，即使馬達在長時間使用后，整流子片6的表面維持平滑。
具體地說，馬達S2的表面不平度的增加小于馬達S1的表面不平度的增加。此外，馬達S3的表面不平度的增加小于馬達S2的表面不平度的增加。因此，可以認為，表面不平度的增加隨碳纖維含量增大而受到抑制。特別地，在馬達S3中，即使經(jīng)過延長的使用時間，表面不平度也大體不變。
在馬達S1至S3中，因為表面不平度的增大受到抑制，電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象可進一步得到有效降低。因此，電刷4和整流子片6的耐久性得到提高。
如果碳纖維含量大大增加，整流子片6的表面可能受到不必要的磨損。因此，優(yōu)選其含量等于或低于10wt％。
由于下述原因，馬達S1至S3的表面不平度的增加受到抑制。因為電刷4中含有高硬度的碳纖維，具有高電阻層62和低電阻層61的整流子片6的表面在馬達操作時稍微受到有意磨損。低電阻層61由低電阻材料制成，高電阻層62由高電阻材料制成，其中，所述低電阻材料含有作為其主要物質(zhì)的石墨，所述高電阻材料中含有作為其主要物質(zhì)的六方氮化硼和石墨。低電阻層61和高電阻層62具有類似的機加工性能和耐磨性(即磨損度)。因此，在整流子片6稍微受到電刷4磨損時，高電阻層62和低電阻層61通常磨損程度相同。因而，整流子片6的表面可維持基本光滑?；谀嫌捕群徒饫硇詠泶_定機加工性能。
而且，在這樣的直流馬達中可以獲得類似的效果，其中，每個電刷4由高電阻層42和低電阻層41構(gòu)成，整流子片6通過將粘結(jié)劑加入含有碳纖維的石墨中而制成。
在上述實施例中，如果高電阻材料的無機物質(zhì)含量等于或低于20wt％，便難以使高電阻層的電阻率增大到充分高于低電阻層的電阻率。因此，難以提高整流性和耐久性。反之，如果高電阻材料的無機物質(zhì)含量大大增加，則高電阻層便可能變成絕緣層。因此，優(yōu)選高電阻材料的無機物質(zhì)含量等于或低于90wt％。
作為無機物質(zhì)，優(yōu)選使電阻率等于或高于1×10-2Ω·m(1Ω·cm)，沸點等于或高于1000℃，莫氏硬度在級別1至級別2的范圍內(nèi)，其類似于低電阻材料的莫氏硬度。
在無機物質(zhì)的電阻率等于或高于1×10-2Ω·m時，電刷4和整流子片6之間的放電現(xiàn)象受到有效抑制。在沸點等于或高于2000℃時，電刷4和整流子5的耐久性(如熱阻和耐磨性)得到有效提高。此外，在無機物質(zhì)的莫氏硬度在級別1至級別2的范圍內(nèi)時，也就是說，在無機物質(zhì)的莫氏硬度與低電阻材料的莫氏硬度相近時，在電刷4與整流子片6滑動接觸時，低電阻層和高電阻層受到同等程度的磨損。因此，由于電刷4和整流子片6的表面維持光滑，便降低了由于電刷4的振動而發(fā)生的放電現(xiàn)象(即，電火花)。
由于低電阻材料和高電阻材料含有碳材料、如石墨，所以電刷4和整流子5的傳導(dǎo)性和耐久性得到進一步提高。粘結(jié)劑采用合成樹脂如酚醛樹脂。
在低電阻材料含有具有銅板涂層的石墨顆粒時，低電阻層的接觸電阻降低。在電刷和整流子用于液體中的情況下，上述效果非常顯著。在這種情況下，由于低電阻層和高電阻層之間的接觸電阻差降低，直流馬達中的整流性進一步得到提高。這里，通過將銅涂覆在石墨顆粒的表面上來生產(chǎn)帶有銅板涂層的石墨顆粒。
作為無機物質(zhì)，優(yōu)選采用氮化硼。在這種情況下，電刷4和整流子5的耐久性和傳導(dǎo)性得到有效提高。此外，二硫化鉬、二硫化鎢和礦石如高嶺土和滑石可用作無機物質(zhì)。
優(yōu)選通過將粘結(jié)劑加入混合材料中來生產(chǎn)高電阻材料，其中，所述混合材料含有六方氮化硼(65wt％至85wt％)和碳材料(35wt％至15wt％)。在這種情況下，電刷4和整流子5的傳導(dǎo)性和耐久性得到有效提高。
在混合材料中的氮化硼含量小于65wt％時，高電阻層的電阻率降低。在這種情況下，難以充分維持電刷4和整流子5的整流性和耐久性。另一方面，在混合材料中的氮化硼含量超過85wt％時，高電阻層的電阻率便受到不必要的增加。這就可能產(chǎn)生這種情況，即該高電阻層設(shè)有絕緣體。因此，可能在低電阻層和高電阻層之間的邊界處產(chǎn)生放電現(xiàn)象。
在由含有氮化硼的高電阻材料制成的高電阻層中，優(yōu)選其孔隙率等于或低于30％。在電刷4和整流子5用于液體中時，高電阻層的電阻率隨著時間推移的增加受到有效抑制?？紫堵蕿榭紫扼w積與高電阻層的總體積之間的比率。
總的來說，如果電刷4和整流子片6的表面是不光滑的，電刷4在整流子片6的表面上振動。這便造成電刷4和整流子片6的壽命降低。在上述實施例中，整流子片6含有碳纖維，所述碳纖維提供足夠的硬度。因此，具有高電阻層42和低電阻層41的電刷4的表面稍微受到整流子片6的有意磨損。可替換地，電刷4含有碳纖維。在這種情況下，具有高電阻層62和低電阻層61的整流子片6的表面稍微受到電刷4的有意磨損。因而，整流子片6的表面被保持光滑。結(jié)果，有效抑制了電刷4和整流子片6之間發(fā)生放電現(xiàn)象。此外，優(yōu)選的是，所述高電阻層和低電阻層具有類似的機加工性能，以維持其表面光潔度。
此外，優(yōu)選的是，碳纖維相對于混合材料的含量在1wt％和10wt％之間的范圍內(nèi)，其中，所述混合材料含有石墨和碳纖維。在這種情況下，電刷4和整流子片6的表面被進一步保持光滑。如果碳纖維含量小于1wt％，因為碳纖維的含量非常低，可能難以維持整流子片6和電刷4的表面的光滑度。另一方面，如果碳纖維含量超過10wt％，因為碳纖維含量非常高，電刷4或整流子片6的表面便可能受到不必要的磨損。
本發(fā)明不限于上述實施例，在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，也可以通過其他方式實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種電刷(4)，其與整流子(5)的整流子片(6)接觸，該電刷(4)包括低電阻層(41)，其由低電阻材料制成；以及高電阻層(42)，其由高電阻材料制成，所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率，其中相對于該高電阻材料的總重量而言，該高電阻材料含有大于20wt％的無機物質(zhì)，所述無機物質(zhì)的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
2.如權(quán)利要求1所述的電刷，其特征在于，所述低電阻材料含有碳材料和粘結(jié)劑，以及所述高電阻材料含有碳材料、粘結(jié)劑和所述無機物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的電刷，其特征在于，所述低電阻材料含有石墨顆粒，所述石墨顆粒帶有銅板涂層。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的電刷，其特征在于，所述無機物質(zhì)包括氮化硼。
5.如權(quán)利要求4所述的電刷，其特征在于，所述高電阻材料由混合材料和粘結(jié)劑組成，以及所述混合材料由氮化硼和碳材料組成，其中所述氮化硼的含量在65wt％和85wt％之間的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求4所述的電刷，其特征在于，所述高電阻層(42)具有等于或小于30％的孔隙率。
7.如權(quán)利要求5所述的電刷，其特征在于，所述高電阻層(42)具有等于或小于30％的孔隙率。
8.一種整流子(5)，其具有多個整流子片(6)，所述整流子片(6)與電刷(4)接觸，每個整流子片(6)包括低電阻層(61)，其由低電阻材料制成；以及高電阻層(62)，其由高電阻材料制成，所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率，其中相對于該高電阻材料的總重量而言，該高電阻材料含有大于20wt％的無機物質(zhì)，所述無機物質(zhì)的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
9.如權(quán)利要求8所述的整流子，其特征在于，所述低電阻材料含有碳材料和粘結(jié)劑，以及所述高電阻材料含有碳材料、粘結(jié)劑和所述無機物質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的整流子，其特征在于，所述低電阻材料含有石墨顆粒，所述石墨顆粒帶有銅板涂層。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項所述的整流子，其特征在于，所述無機物質(zhì)包括氮化硼。
12.如權(quán)利要求11所述的整流子，其特征在于，所述高電阻材料由混合材料和粘結(jié)劑組成，以及所述混合材料由氮化硼和碳材料組成，其中所述氮化硼的含量在65wt％和85wt％之間的范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11所述的整流子，其特征在于，所述高電阻層(62)具有等于或小于30％的孔隙率。
14.如權(quán)利要求12所述的整流子，其特征在于，所述高電阻層(62)具有等于或小于30％的孔隙率。
15.一種整流設(shè)備，包括整流子(5)，其具有多個被布置成在操作時沿著方向(R)旋轉(zhuǎn)的整流子片(6)；以及一對電刷(4)，其與所述多個整流子片(6)接觸，其中所述多個整流子片(6)和所述一對電刷(4)中的一個由含有石墨和碳纖維的材料制成，所述多個整流子片(6)和所述一對電刷(4)中的另一個由低電阻層(41，61)和高電阻層(42，62)組成，其中所述低電阻層(41，61)由低電阻材料制成，所述高電阻層(42，62)由高電阻材料制成，所述高電阻材料中含有大于20wt％的無機物質(zhì)，且其電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。
16.如權(quán)利要求15所述的整流設(shè)備，其特征在于，相對于所述旋轉(zhuǎn)方向(R)而言，每個所述整流子片(6)在其前導(dǎo)側(cè)具有低電阻層(61)，并在其尾側(cè)具有高電阻層(62)。
17.如權(quán)利要求15所述的整流設(shè)備，其特征在于，相對于所述旋轉(zhuǎn)方向(R)而言，每個所述電刷(4)在其前導(dǎo)側(cè)具有高電阻層(42)，并在其尾側(cè)具有低電阻層(41)。
全文摘要
在旋轉(zhuǎn)電機(1)的整流子(5)中，每個整流子片(6)具有由低電阻材料制成的低電阻層(61)和由高電阻材料制成的高電阻層(62)，其中所述高電阻材料的電阻率高于所述低電阻材料的電阻率。所述低電阻材料含有碳材料和粘結(jié)劑。所述高電阻材料含有碳材料、粘結(jié)劑和無機物質(zhì)如氮化硼。無機物質(zhì)在高電阻材料中的混合比大于20wt％?；蛘?，與整流子片(6)接觸的電刷(4)可具有高電阻層(42)和低電阻層(41)。
文檔編號H01R39/24GK1790839SQ20051012855
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者濱松宏武, 村上洋一, 本保亮一, 清瀨顯三, 池田光男, 坂浦洋一, 中川慎也, 西尾誠 申請人:株式會社電裝, 特耐斯株式會社