專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水銀電刷換向器直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及制造方法
一種水銀電刷換向器直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及制造方法本發(fā)明涉及直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)、換向器以及制造方法。直流電機(jī)的產(chǎn)生源于1832年美國(guó)人期特金發(fā)明了直流電機(jī)換向器，1836年pixii發(fā)明了帶換向器的直流電機(jī)。直流電機(jī)運(yùn)用較廣泛，在礦山、冶金、交通、機(jī)械制造、造紙要、橡膠等行業(yè)均有運(yùn)用。它具有低速大轉(zhuǎn)矩，平滑調(diào)速的特點(diǎn)以及優(yōu)良的性?xún)r(jià)比是其它電機(jī)無(wú)法取代的。但它也存在換向器整流子易磨損，易出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，操作、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本高的缺點(diǎn)。一百多年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)人員為攻克這一難題進(jìn)行了不懈的努力。如:長(zhǎng)城換向器公司的《03239176》、《200620108375》奧地利雷德公司《96180521》，他們的換向器創(chuàng)新都只限于細(xì)節(jié)上的改進(jìn)，或延長(zhǎng)了整流子的使用壽命，或減小了電火花，或提高了生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本，但沒(méi)有改變換向器整流子、炭刷基本結(jié)構(gòu)，未能徹底解決整流子的機(jī)械磨損和“打火”問(wèn)題。該問(wèn)題已嚴(yán)重制約了有刷直流電機(jī)的發(fā)展，“有刷”成為直流電機(jī)落后的代名詞，成為直流電機(jī)發(fā)展的瓶頸。近十幾年由于市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)的需求量大，無(wú)刷永磁電機(jī)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。從無(wú)刷永磁電機(jī)工作本質(zhì)分析該電機(jī)不是直流電機(jī)，而屬交流感應(yīng)電機(jī)，具有交流感應(yīng)電機(jī)的基本特性。它的低速轉(zhuǎn)矩輸出特性與汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行特性是不匹配的，作為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)車(chē)肯定是不適合的。目前市場(chǎng)上的以無(wú)刷永磁直流電機(jī)直驅(qū)的電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)的爬坡、加速性能與燃油汽車(chē)、摩托車(chē)存在很大的差距，說(shuō)明無(wú)刷永磁直流電機(jī)的研發(fā)尚在初級(jí)階段，還有很長(zhǎng)的一段路要走。本發(fā)明水銀電刷直流電機(jī)除了該電機(jī)原有的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、平滑調(diào)速的特點(diǎn)，還具有換向器無(wú)機(jī)械磨損，無(wú)“打火”，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。以水銀電刷換向器直流電機(jī)直驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)車(chē)的爬坡、加速性能不差于燃油汽車(chē)、摩托車(chē)，特別是性?xún)r(jià)比優(yōu)于后者，只是燃油汽車(chē)、摩托車(chē)造價(jià)的百分之五十，甚至還要低。水銀電刷直流電機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)將為有刷直流電機(jī)直驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)帶來(lái)突破，也為有刷直流電機(jī)的發(fā)展帶來(lái)希望。—種水銀電刷換向器直流電機(jī)。詳見(jiàn)圖3、圖4原理圖。N、S、主磁極、a、b、c、d線圖、AA' -BB'換向器、k、j、e、o整流子極片。導(dǎo)線連接o-n_m(經(jīng)過(guò)軸中心孔)-l-a-b-d_c (經(jīng)過(guò)軸中心孔)-1-g-f-e。在i處分支路線i_j ;在I處分支路線l_k ;在々'+B'-加直流電源，電流從A' +-P-O-n-m-l-a-b-d-c-1-j-p-B' _。載流導(dǎo)體ab、cd受電磁力的作用形成轉(zhuǎn)矩開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)(左手定律)，此時(shí)整流了極電e、k置空。線圈傳動(dòng)180°后電流從V +-P-e-f-g-c-d-b-a-1-k-p-B; _，此時(shí)整流子極電O、J置空。由于AA^ -BBi的換向作用線圈中的電流是交流的，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向是不變的。Kk丨-BBi換向器的水銀電刷B' P所處的位置與傳統(tǒng)的直流電機(jī)炭刷所處的位置相差180°，但還是合符電機(jī)學(xué)理論的，電流從軸中心孔輻射至繞組。而軸中心孔與主磁極幾何中線是重迭的，所以說(shuō)與電機(jī)學(xué)相關(guān)的理論是不矛盾的。 關(guān)于換向器的磨損和“打火”成因眾說(shuō)紛云歸納為三點(diǎn):1、電磁原因，繞組在換向瞬間產(chǎn)生反電勢(shì)，極性與后繞組電流極性相反，前后整流子極片的電壓擊穿空氣釋放電能并產(chǎn)生火花；2、機(jī)械原因，換向器整流子徑向跳動(dòng)大，或動(dòng)平衡不好，炭刷壓力不均，整流子表面不潔凈。3、電化學(xué)原因，整流子表面氧化亞銅層被破壞。本技術(shù)在水銀電刷P上置有一層消弧液、消弧粉q，其厚度是相鄰極片絕緣距離S加上極片寬度，δ >R+S。詳見(jiàn)附圖5。前繞組在換向瞬間極片產(chǎn)生反電勢(shì)(電感原理)，但它與后極片之間始終有S厚度消弧液、粉q隔離，q的電阻大于空氣電阻，兩極電之間不能產(chǎn)生電擊。關(guān)于整流子機(jī)械磨損的問(wèn)題，水銀電刷的導(dǎo)電性能非常好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)炭刷，觸點(diǎn)電阻是I毫歐電阻。液態(tài)水銀與固態(tài)整流子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨損非常小，可忽略，即便是有磨損接觸面也不可能產(chǎn)生間隙“打火”之說(shuō)不能成立。水銀電刷換向器直流電機(jī)(主極4、16槽)詳見(jiàn)1、2、6、7、8、9、10附圖。(I)定子、主極、換向極；(2)電樞；(3)繞組；(4)風(fēng)葉；(5)端蓋；(6)端蓋；(7)換向器；(8)穿線孔；(9)軸承。其中換向器由(10)固定螺栓、(11)上半水銀槽、(12)下半水銀槽；(13)密封墊;(14)固定螺栓；(15)軸中心孔；(16)軸封(17)軸封壓蓋；(18)壓蓋螺栓；(19)注液P ; (20)片狀彈簧；(21)整流子C ； (26)整流子D ； (27)間隔套；(28)軸端螺母；(29)極片
(30)極片接線柱；(31)消弧液、消弧粉q、水銀P ； (32)放液口 ；(33)接線柱；(34)導(dǎo)電半環(huán)；(35)出線孔。(7)換向器設(shè)計(jì)位于(6)端蓋外側(cè)在于操作，維護(hù)方便和水銀槽的密封處理。電樞繞組與換向器的連接從軸中心孔布線，主軸粗車(chē)后在安裝換向器的一端鉆(15)中心孔?？椎慕孛娣e略大于繞組引出線截面積總和，但前提保證軸的機(jī)械強(qiáng)度、深度達(dá)繞組抽頭處；在銑床上鉆(8)穿線孔，出線孔(35)。(8)穿線孔位于繞組抽頭處，計(jì)16孔沿軸園周均布，為了保證軸的機(jī)械強(qiáng)度，16個(gè)孔分單雙兩排。(8)孔直徑略大于引出線直徑，孔的軸線與主軸軸線夾角為45°，(35)出線孔計(jì)16個(gè)在同一圓周上，排列次序與⑶孔相同，位于軸端，為橢圓，孔徑略大于引出線直徑，孔的軸線與主軸軸線成90°夾角。(3)繞組引出線 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 分別依次從軸(8)孔穿入(15)軸中心孔，從(35)出線孔出，分別與(24)整流極片同號(hào)連接，(30)是接線柱。(23)整流子極片與(24)整流子極片同號(hào)連。詳見(jiàn)8、9附圖。從(3)繞組引出線5，按順時(shí)針?lè)较蚍种肪€5'、6'、ν、8'、9'、10'、1Γ Λ2'、13'、14'、15'、16、Γ、2'、3'、4'與(26)整流子極片同號(hào)連接，(26)整流子極片與(25)整流子極片同號(hào)連接。電機(jī)運(yùn)行時(shí)(詳見(jiàn)附圖8、9、10)電流從A ' +B / +分4路進(jìn)入(3)繞組，并經(jīng) C ' _D ' _ 成回路，第一路:B ' +-P-1-16-15-14-13 ! -p-C ! _ ;第二路B ' +-P-2-3-4-5 ' -P-D ' _ ;第三路 A ' +-P-10-11-12-13 ' -P-C ' _ ;第四路:k' +-P-9-8-7-6-5' -P-D' _。電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。水銀電刷P(汞)有劇毒，詳見(jiàn)附圖6，(11)上半槽，(12)下半槽的連接依靠(14)螺栓固定，中間有(13)密封墊。(16)軸封、(18)螺栓可調(diào)節(jié)(16)軸封松緊度，保證汞的揮發(fā)不外泄，(20)片狀彈簧和(21)羊毛氈能剔除沾附在整流子上的消弧液、粉。消弧液、粉厚度為δ ^R+S, δ不是越大越好，消弧液電阻大對(duì)電流換向不利。(19)注液口，(32)放液口可調(diào)節(jié)P和q的厚度。(27)間隔套(詳見(jiàn)附圖2)是兩個(gè)半圓合成的套，該套有4個(gè)作用；1、對(duì)整流子軸向起定位作用(詳見(jiàn)附圖1)，整流子徑向定位靠平鍵(22)，軸向定位:
(26)整流子左側(cè)由主軸上的臺(tái)階定位，右側(cè)依靠間隔套力的傳遞至(25)整流子間隔套，
(24)整流子、間隔套、(23)整流子、間隔套至(28)軸端螺母而定位。2、不同長(zhǎng)度的間隔套具有調(diào)整整流子(23)、(24)、(25)、(26)之間距離以及和水銀槽格之間匹配的作用。3、間隔套與主軸之間的空腔和整流子中心孔與主軸之間的空腔是分佈導(dǎo)線的空間。4、間隔套對(duì)導(dǎo)線起保護(hù)作用。整流子正視為圓形，側(cè)視為菱形(詳見(jiàn)附圖7)，工作面的光潔度^8，工作時(shí)圓周線速度大，如果正面阻力大會(huì)引起水銀面產(chǎn)生大的波動(dòng)，該幾何形狀能減小整流子正面對(duì)水銀的壓力，有利于水銀液面穩(wěn)定，還有利于水銀自身的比重壓力清除粘附在整流子觸點(diǎn)面上的消弧液、粉，減少接觸電阻。與鼓形整流子相比消耗的銅材少，制造工藝也簡(jiǎn)單。本技術(shù)省略了乙種的均壓線是因?yàn)樗y電刷電阻很小，極大改善了繞組的換向電阻、各繞組電抗均衡，故無(wú)需增設(shè)乙種均壓線。


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圖1、是本發(fā)明水銀電刷換向器直流電機(jī)、電樞、換向器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、是直流電機(jī)用于整流子軸向定位間隔套圖。
圖3、是直流電機(jī)0° 180°旋轉(zhuǎn)原理圖。
圖4、是直流電機(jī)180° 360°旋轉(zhuǎn)原理圖。
圖5、是直流電機(jī)水銀電刷、消弧液、粉、整流子工作接觸面示意圖。
圖6、是直流電機(jī)正視、右視圖，以O(shè)軸FOF'、G0G'剖視圖。
圖7、是直流電機(jī)整流子正視、左視圖。
圖8、是直流電機(jī)電樞繞組與整流子連接示意圖。
圖9、是直流電機(jī)電樞繞組分支路線并與整流子連接示意圖。
圖10、是直流電機(jī)主極4極、16槽、電樞繞組簡(jiǎn)化支路元件圖。具體實(shí)施方 式:依照附圖1、2、6、7、8、9、10所示。(I)定子、主磁極、換向極、(2)電樞、⑶繞組、⑷風(fēng)葉、(5)端蓋、(6)端蓋、(7)換向器、⑶穿線孔、(9)軸承，其中換向器由(10)固定螺栓、(11)上半水銀槽、(12)下半水銀槽、(13)密封墊、(14)固定螺栓、(15)軸中心孔、(16)軸封、(17)軸封壓蓋、(18)壓蓋螺栓、(19)注液口、(20)片狀彈簧、(21)羊毛氈、(22)平鍵、(23)整流子A、(24)整流子B、(25)整流子C、(26)整流子D、(27)間隔套、(28)軸端螺母、(29)極片、(30)極片接線柱、(31)消弧液、粉q水銀P、(32)放液口、
(33)接線柱、(34)導(dǎo)電半環(huán)、(35)出線孔組成。其中(I)定子、主極、換向極，(2)電樞鐵芯，(3)繞組，(4)風(fēng)葉，(5)端蓋參照原設(shè)計(jì)和制造工藝，(6)端蓋外側(cè)增設(shè)(10)換向器固定螺栓共計(jì)4個(gè)。(15)主軸中心孔，(8)穿線孔設(shè)計(jì)時(shí)必須保證軸的機(jī)械強(qiáng)度，(15)軸中心孔截面積應(yīng)略大于繞組引出線截面積總和。(8)穿線孔的直徑略大于引出線直徑，孔的軸線與主軸軸夾角為45°，孔計(jì)16個(gè)，單雙分兩列，沿軸圓周均布。(35)出線孔為橢圓孔直徑略大于引出線直徑，孔的軸線與主軸軸線夾角為90°，孔計(jì)16個(gè)，位于軸端部，在圓周上均佈。(8)、(35)孔的加工應(yīng)在主軸粗車(chē)之后，電樞鐵芯壓入之前，可在銑床、或鉆床上進(jìn)行。(23)、(24)、(25)、(26)整流子在主軸上的徑向、軸向跳動(dòng)測(cè)試應(yīng)小于0.02，整流子工作面的光潔度為^8，可在成型磨床上加工。穿線之前所有的孔倒銳角，防止引出線絕緣層出現(xiàn)破損。繞組引出線作記號(hào)1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16分別依次從(8)孔進(jìn)入(15)軸中心孔從軸端(35)孔出線，分別與(24)整流子極片同號(hào)連接(詳見(jiàn)附圖8、9)。(23)整流子極片與(24)整流子極片同號(hào)連接；同時(shí)在軸端引出線第5號(hào)線分支路線 5'、6'、V、8'、9,、10'、1Γ Λ2'、13'、14'、15'、16'、Γ、2丨、3' A'與(26)整流子極片同號(hào)連接，(26)整流子極片與(25)整流子極片同號(hào)連接，(30)是極片接線柱。引出線與整流子的連接完畢檢查無(wú)誤，安裝(27)間隔套。(26)、(25)、(24)、(23)整流子的軸向左側(cè)定位依靠4段間隔套和(28)螺母。先根據(jù)(23)、(24)、(25)、(26)整流丁勺小取悄價(jià):I H」IZli K疋1AA厄，介楚狐丁: I H」tf」I H」IEH爾4枚I H」_甚，Z刀'力I」佃八介楚狐丁 T
心孔臺(tái)階處，端面有線阻隔可破缺口。其中(28)螺母端面有一直徑與間隔套直徑相等的圓槽，旋緊(28)，間隔套嵌入(28)溝槽中，作用力通過(guò)間隔套以及各整流子傳遞到軸臺(tái)階，各整流子軸向固定。上、下水銀槽由(14)螺栓固定，中間有(13)密封墊，安裝時(shí)應(yīng)保證軸封
(16)處孔與主軸間的不同心度在0.1以?xún)?nèi)，軸封松緊合適，用手盤(pán)動(dòng)主軸，應(yīng)輕松自如。水銀的加注厚度以整流子兩個(gè)極片接觸為準(zhǔn)，消弧液、粉的厚度為δ >R+S。水銀電刷換向器直流電機(jī)總體安裝完畢后，按照規(guī)定做以下技術(shù)測(cè)定:1、繞組絕緣電阻測(cè)定，各繞組對(duì)地電阻不低于5兆歐。2、耐壓試驗(yàn)，3、負(fù)載試驗(yàn)。4、超速試驗(yàn)。5、電樞繞組匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)。水銀電刷換向器直流電機(jī)與炭刷、整流子換向器直流電機(jī)相比較具有換向器無(wú)機(jī)磨損、無(wú)“打火”、無(wú)噪聲、操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還具有節(jié)約銅材、生產(chǎn)制造工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)。電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速平滑的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種水銀電刷換向器直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及制造方法?；咎卣髟谟?整流子A、B圓周下部與A'、B'槽中水銀P、或?qū)щ娨后w、有浸潤(rùn)式的接觸。其中水銀表面浮有一層消弧液、粉q。水銀槽、水銀、消弧液、粉、整流子從下至上依次排列為組，賦予正、負(fù)電特性，正負(fù)兩組的整流子電極通過(guò)導(dǎo)線連接成一個(gè)直流電機(jī)換向器，換向器的數(shù)量與電機(jī)主極對(duì)數(shù)相同； N、S主磁極,abdc線圈,AA' -BB'換向器,k、j、e、o整流子電極。導(dǎo)線連接o-n_m(經(jīng)過(guò)軸中心孔)-l-a-b-d_c (經(jīng)過(guò)軸中心孔)-1-g-f-e,并在i處分支線i_j，在I處分支線Ι-k;在 A' _+、B'-加直流電源，電流從 A' +-p-o-n-m-l-a-b-d-c-1-j-p-B' 載流導(dǎo)體abed受電磁力的作用形成轉(zhuǎn)矩開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)(左手定律)，此時(shí)整流子極電e、k置空。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)180°后電流從A' +-p-e-f-g-c-d-b-a-1-k-p-B' _，此時(shí)整流子極電O、j置空。由于AA' -BB'的換向作用線圈子中的電流是交流的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向是不變的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1、直流電機(jī)的特征在于:(I)定子、主極、換向極；(2)電樞；(3)繞組；(4)風(fēng)葉；(5)端蓋；(6) 端蓋；(7)換向器；⑶穿線孔；(9)軸承，其中換向器由；(10)固定螺栓；(11)上半水銀槽；(12)下半水銀槽；(13)密封墊；(14)螺栓；(15)軸中心孔；(16)軸封;(17)軸承壓蓋；(18)壓蓋螺栓；(19)注液口 ； (20)片狀彈簧；(21)羊毛氈；(22)平鍵；(23)整流子A ； (24)整流子B ； (25)整流子C ； (26)整流子D ； (27)間隔套；(28)軸端螺母；(29)極片；(30)極片接線柱；(31)水銀P、消弧液、粉q ; (32)放液口 ； (33)接線柱；(34)導(dǎo)電半環(huán)；(35)出線孔。
3.電樞制造方法其特征在于:主軸粗車(chē)削后在安裝換向器的一端鉆(15)中心孔深入達(dá)繞組抽頭處；在銑床上加工(8)穿線孔以及(35)出線孔。(8)穿線孔位于(3)繞組抽頭處，計(jì)16個(gè)，單雙分列兩行沿軸圓周均佈，孔的軸線與主軸的軸線成45°夾角，孔直徑略大于引出線直徑，(35)出線孔計(jì)16個(gè)在同一圓周上均布，位于主軸端部，為橢圓孔，直徑略大于引出線直徑，孔軸線與主軸軸線夾角90°。(15)主軸中心孔截面積略大于(3)繞組引出截面積總和(23)、(24)、(25)、(26)整流子工作面光潔度為▽ 8在主軸上測(cè)試徑向、軸向跳動(dòng)小于 0.02。(3)繞組引出線 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 分別依次從(8)穿線孔入(15)軸中心孔并依次從(35)出線孔出，分別與(24)整流子極片、(30)接線柱同號(hào)連接；(23)整流子極片與(24)整流子極片同號(hào)連接。同時(shí)從(3)繞組引出線5處依次按順時(shí)針?lè)较蚍种Ь€ 5'、6'、V、8'、9, Λ0'、11'、12'、13'、14'、15'、16'、I,、2'、3,、4,與(26)整流子極片同號(hào)連接。(26)整流子極片與(25)整流子極片同號(hào)連接。
4.水銀槽制造方法其特征在于采用塑料經(jīng)注塑機(jī)、模具注塑成型，具備透視功能。(34)導(dǎo)電半環(huán)注塑前嵌入。
5.整流子制造方法其特征在于(23)、(24)、(25)、(26)正視為圓形，側(cè)視為菱形，采用塑料、注塑機(jī)、模具注塑成型。(29)極片材質(zhì)為飩銅，在整流子圓周表面均佈，注塑前嵌入，整流子工作面的光潔度為\7 8。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、水銀電刷P上的消弧液、粉q，厚度為:δ3R+S。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、(3)繞組均壓線的特征在于:甲種均壓線(24)整流子極片第I片與(26)整流子極片第9片連接；(23)整流子極片第5片與(25)整流子極片第13片連接； 乙種均壓線不接。
全文摘要
本發(fā)明涉及直流電機(jī)、換向器以及制造方法的改進(jìn)。水銀電刷換向器直流電機(jī)，詳見(jiàn)附圖3，由(1)定子、主極、換向極，(2)電樞，(3)繞組，(4)風(fēng)葉，(5)端蓋，(6)端蓋，(7)換向器組成。其中換向器由(11)、(12)上下水銀槽、(16)軸封，(20)片狀彈簧，(21)羊毛氈，(23)、(24)、(25)、(26)整流子(34)導(dǎo)電半環(huán)，(33)接線柱，(31)水銀P、消弧液q，(35)出線孔，(8)穿線孔組成。本電機(jī)具有換向器無(wú)機(jī)械磨損，無(wú)“打火”、無(wú)噪聲，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省銅材，成本低的特點(diǎn)，電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩，調(diào)速平滑的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01R43/06GK103117634SQ20111038336
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者羅松林, 何亞強(qiáng) 申請(qǐng)人:羅松林, 何亞強(qiáng)