专利名称：一种水银电刷换向器直流旋转电机以及制造方法
一种水银电刷换向器直流旋转电机以及制造方法本发明涉及直流旋转电机、换向器以及制造方法。直流电机的产生源于1832年美国人期特金发明了直流电机换向器，1836年pixii发明了带换向器的直流电机。直流电机运用较广泛，在矿山、冶金、交通、机械制造、造纸要、橡胶等行业均有运用。它具有低速大转矩，平滑调速的特点以及优良的性价比是其它电机无法取代的。但它也存在换向器整流子易磨损，易出现“打火”现象，操作、维护、运营成本高的缺点。一百多年来国内外有关技术人员为攻克这一难题进行了不懈的努力。如:长城换向器公司的《03239176》、《200620108375》奥地利雷德公司《96180521》，他们的换向器创新都只限于细节上的改进，或延长了整流子的使用寿命，或减小了电火花，或提高了生产效率降低生产成本，但没有改变换向器整流子、炭刷基本结构，未能彻底解决整流子的机械磨损和“打火”问题。该问题已严重制约了有刷直流电机的发展，“有刷”成为直流电机落后的代名词，成为直流电机发展的瓶颈。近十几年由于市场对电动汽车、电动车的需求量大，无刷永磁电机得到长足的发展。从无刷永磁电机工作本质分析该电机不是直流电机，而属交流感应电机，具有交流感应电机的基本特性。它的低速转矩输出特性与汽车、电动车的运行特性是不匹配的，作为电机直接驱动的电动汽车，电动车肯定是不适合的。目前市场上的以无刷永磁直流电机直驱的电动汽车、电动车的爬坡、加速性能与燃油汽车、摩托车存在很大的差距，说明无刷永磁直流电机的研发尚在初级阶段，还有很长的一段路要走。本发明水银电刷直流电机除了该电机原有的低转速大转矩、平滑调速的特点，还具有换向器无机械磨损，无“打火”，无噪音的优点。以水银电刷换向器直流电机直驱电动汽车，电动车的爬坡、加速性能不差于燃油汽车、摩托车，特别是性价比优于后者，只是燃油汽车、摩托车造价的百分之五十，甚至还要低。水银电刷直流电机技术的出现将为有刷直流电机直驱电动汽车、电动车带来突破，也为有刷直流电机的发展带来希望。—种水银电刷换向器直流电机。详见图3、图4原理图。N、S、主磁极、a、b、c、d线图、AA' -BB'换向器、k、j、e、o整流子极片。导线连接o-n_m(经过轴中心孔)-l-a-b-d_c (经过轴中心孔)-1-g-f-e。在i处分支路线i_j ;在I处分支路线l_k ;在々'+B'-加直流电源，电流从A' +-P-O-n-m-l-a-b-d-c-1-j-p-B' _。载流导体ab、cd受电磁力的作用形成转矩开始逆时针方向转动(左手定律)，此时整流了极电e、k置空。线圈传动180°后电流从V +-P-e-f-g-c-d-b-a-1-k-p-B; _，此时整流子极电O、J置空。由于AA^ -BBi的换向作用线圈中的电流是交流的，产生的转矩方向是不变的。Kk丨-BBi换向器的水银电刷B' P所处的位置与传统的直流电机炭刷所处的位置相差180°，但还是合符电机学理论的，电流从轴中心孔辐射至绕组。而轴中心孔与主磁极几何中线是重迭的，所以说与电机学相关的理论是不矛盾的。 关于换向器的磨损和“打火”成因众说纷云归纳为三点:1、电磁原因，绕组在换向瞬间产生反电势，极性与后绕组电流极性相反，前后整流子极片的电压击穿空气释放电能并产生火花；2、机械原因，换向器整流子径向跳动大，或动平衡不好，炭刷压力不均，整流子表面不洁净。3、电化学原因，整流子表面氧化亚铜层被破坏。本技术在水银电刷P上置有一层消弧液、消弧粉q，其厚度是相邻极片绝缘距离S加上极片宽度，δ >R+S。详见附图5。前绕组在换向瞬间极片产生反电势(电感原理)，但它与后极片之间始终有S厚度消弧液、粉q隔离，q的电阻大于空气电阻，两极电之间不能产生电击。关于整流子机械磨损的问题，水银电刷的导电性能非常好，远远超过炭刷，触点电阻是I毫欧电阻。液态水银与固态整流子相对运动的磨损非常小，可忽略，即便是有磨损接触面也不可能产生间隙“打火”之说不能成立。水银电刷换向器直流电机(主极4、16槽)详见1、2、6、7、8、9、10附图。(I)定子、主极、换向极；(2)电枢；(3)绕组；(4)风叶；(5)端盖；(6)端盖；(7)换向器；(8)穿线孔；(9)轴承。其中换向器由(10)固定螺栓、(11)上半水银槽、(12)下半水银槽；(13)密封垫;(14)固定螺栓；(15)轴中心孔；(16)轴封(17)轴封压盖；(18)压盖螺栓；(19)注液P ; (20)片状弹簧；(21)整流子C ； (26)整流子D ； (27)间隔套；(28)轴端螺母；(29)极片
(30)极片接线柱；(31)消弧液、消弧粉q、水银P ； (32)放液口 ；(33)接线柱；(34)导电半环；(35)出线孔。(7)换向器设计位于(6)端盖外侧在于操作，维护方便和水银槽的密封处理。电枢绕组与换向器的连接从轴中心孔布线，主轴粗车后在安装换向器的一端钻(15)中心孔。孔的截面积略大于绕组引出线截面积总和，但前提保证轴的机械强度、深度达绕组抽头处；在铣床上钻(8)穿线孔，出线孔(35)。(8)穿线孔位于绕组抽头处，计16孔沿轴园周均布，为了保证轴的机械强度，16个孔分单双两排。(8)孔直径略大于引出线直径，孔的轴线与主轴轴线夹角为45°，(35)出线孔计16个在同一圆周上，排列次序与⑶孔相同，位于轴端，为椭圆，孔径略大于引出线直径，孔的轴线与主轴轴线成90°夹角。(3)绕组引出线 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 分别依次从轴(8)孔穿入(15)轴中心孔，从(35)出线孔出，分别与(24)整流极片同号连接，(30)是接线柱。(23)整流子极片与(24)整流子极片同号连。详见8、9附图。从(3)绕组引出线5，按顺时针方向分支路线5'、6'、ν、8'、9'、10'、1Γ Λ2'、13'、14'、15'、16、Γ、2'、3'、4'与(26)整流子极片同号连接，(26)整流子极片与(25)整流子极片同号连接。电机运行时(详见附图8、9、10)电流从A ' +B / +分4路进入(3)绕组，并经 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' _。电机逆时针方向转动。水银电刷P(汞)有剧毒，详见附图6，(11)上半槽，(12)下半槽的连接依靠(14)螺栓固定，中间有(13)密封垫。(16)轴封、(18)螺栓可调节(16)轴封松紧度，保证汞的挥发不外泄，(20)片状弹簧和(21)羊毛毡能剔除沾附在整流子上的消弧液、粉。消弧液、粉厚度为δ ^R+S, δ不是越大越好，消弧液电阻大对电流换向不利。(19)注液口，(32)放液口可调节P和q的厚度。(27)间隔套(详见附图2)是两个半圆合成的套，该套有4个作用；1、对整流子轴向起定位作用(详见附图1)，整流子径向定位靠平键(22)，轴向定位:
(26)整流子左侧由主轴上的台阶定位，右侧依靠间隔套力的传递至(25)整流子间隔套，
(24)整流子、间隔套、(23)整流子、间隔套至(28)轴端螺母而定位。2、不同长度的间隔套具有调整整流子(23)、(24)、(25)、(26)之间距离以及和水银槽格之间匹配的作用。3、间隔套与主轴之间的空腔和整流子中心孔与主轴之间的空腔是分佈导线的空间。4、间隔套对导线起保护作用。整流子正视为圆形，侧视为菱形(详见附图7)，工作面的光洁度^8，工作时圆周线速度大，如果正面阻力大会引起水银面产生大的波动，该几何形状能减小整流子正面对水银的压力，有利于水银液面稳定，还有利于水银自身的比重压力清除粘附在整流子触点面上的消弧液、粉，减少接触电阻。与鼓形整流子相比消耗的铜材少，制造工艺也简单。本技术省略了乙种的均压线是因为水银电刷电阻很小，极大改善了绕组的换向电阻、各绕组电抗均衡，故无需增设乙种均压线。
:
图1、是本发明水银电刷换向器直流电机、电枢、换向器结构示意图。
图2、是直流电机用于整流子轴向定位间隔套图。
图3、是直流电机0° 180°旋转原理图。
图4、是直流电机180° 360°旋转原理图。
图5、是直流电机水银电刷、消弧液、粉、整流子工作接触面示意图。
图6、是直流电机正视、右视图，以O轴FOF'、G0G'剖视图。
图7、是直流电机整流子正视、左视图。
图8、是直流电机电枢绕组与整流子连接示意图。
图9、是直流电机电枢绕组分支路线并与整流子连接示意图。
图10、是直流电机主极4极、16槽、电枢绕组简化支路元件图。具体实施方 式:依照附图1、2、6、7、8、9、10所示。(I)定子、主磁极、换向极、(2)电枢、⑶绕组、⑷风叶、(5)端盖、(6)端盖、(7)换向器、⑶穿线孔、(9)轴承，其中换向器由(10)固定螺栓、(11)上半水银槽、(12)下半水银槽、(13)密封垫、(14)固定螺栓、(15)轴中心孔、(16)轴封、(17)轴封压盖、(18)压盖螺栓、(19)注液口、(20)片状弹簧、(21)羊毛毡、(22)平键、(23)整流子A、(24)整流子B、(25)整流子C、(26)整流子D、(27)间隔套、(28)轴端螺母、(29)极片、(30)极片接线柱、(31)消弧液、粉q水银P、(32)放液口、
(33)接线柱、(34)导电半环、(35)出线孔组成。其中(I)定子、主极、换向极，(2)电枢铁芯，(3)绕组，(4)风叶，(5)端盖参照原设计和制造工艺，(6)端盖外侧增设(10)换向器固定螺栓共计4个。(15)主轴中心孔，(8)穿线孔设计时必须保证轴的机械强度，(15)轴中心孔截面积应略大于绕组引出线截面积总和。(8)穿线孔的直径略大于引出线直径，孔的轴线与主轴轴夹角为45°，孔计16个，单双分两列，沿轴圆周均布。(35)出线孔为椭圆孔直径略大于引出线直径，孔的轴线与主轴轴线夹角为90°，孔计16个，位于轴端部，在圆周上均佈。(8)、(35)孔的加工应在主轴粗车之后，电枢铁芯压入之前，可在铣床、或钻床上进行。(23)、(24)、(25)、(26)整流子在主轴上的径向、轴向跳动测试应小于0.02，整流子工作面的光洁度为^8，可在成型磨床上加工。穿线之前所有的孔倒锐角，防止引出线绝缘层出现破损。绕组引出线作记号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16分别依次从(8)孔进入(15)轴中心孔从轴端(35)孔出线，分别与(24)整流子极片同号连接(详见附图8、9)。(23)整流子极片与(24)整流子极片同号连接；同时在轴端引出线第5号线分支路线 5'、6'、V、8'、9,、10'、1Γ Λ2'、13'、14'、15'、16'、Γ、2丨、3' A'与(26)整流子极片同号连接，(26)整流子极片与(25)整流子极片同号连接，(30)是极片接线柱。引出线与整流子的连接完毕检查无误，安装(27)间隔套。(26)、(25)、(24)、(23)整流子的轴向左侧定位依靠4段间隔套和(28)螺母。先根据(23)、(24)、(25)、(26)整流丁勺小取悄价: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
心孔台阶处，端面有线阻隔可破缺口。其中(28)螺母端面有一直径与间隔套直径相等的圆槽，旋紧(28)，间隔套嵌入(28)沟槽中，作用力通过间隔套以及各整流子传递到轴台阶，各整流子轴向固定。上、下水银槽由(14)螺栓固定，中间有(13)密封垫，安装时应保证轴封
(16)处孔与主轴间的不同心度在0.1以内，轴封松紧合适，用手盘动主轴，应轻松自如。水银的加注厚度以整流子两个极片接触为准，消弧液、粉的厚度为δ >R+S。水银电刷换向器直流电机总体安装完毕后，按照规定做以下技术测定:1、绕组绝缘电阻测定，各绕组对地电阻不低于5兆欧。2、耐压试验，3、负载试验。4、超速试验。5、电枢绕组匝间绝缘强度试验。水银电刷换向器直流电机与炭刷、整流子换向器直流电机相比较具有换向器无机磨损、无“打火”、无噪声、操作、维护简单，使用寿命长的优点，还具有节约铜材、生产制造工艺简单、成本低的优势。电机具有低速大转矩、调速平滑的优点。
权利要求
1.一种水银电刷换向器直流旋转电机以及制造方法。基本特征在于:整流子A、B圆周下部与A'、B'槽中水银P、或导电液体、有浸润式的接触。其中水银表面浮有一层消弧液、粉q。水银槽、水银、消弧液、粉、整流子从下至上依次排列为组，赋予正、负电特性，正负两组的整流子电极通过导线连接成一个直流电机换向器，换向器的数量与电机主极对数相同； N、S主磁极,abdc线圈,AA' -BB'换向器,k、j、e、o整流子电极。导线连接o-n_m(经过轴中心孔)-l-a-b-d_c (经过轴中心孔)-1-g-f-e,并在i处分支线i_j，在I处分支线Ι-k;在 A' _+、B'-加直流电源，电流从 A' +-p-o-n-m-l-a-b-d-c-1-j-p-B' 载流导体abed受电磁力的作用形成转矩开始逆时针方向转动(左手定律)，此时整流子极电e、k置空。线圈转动180°后电流从A' +-p-e-f-g-c-d-b-a-1-k-p-B' _，此时整流子极电O、j置空。由于AA' -BB'的换向作用线圈子中的电流是交流的产生的转矩方向是不变的。
2.根据权利要求1、直流电机的特征在于:(I)定子、主极、换向极；(2)电枢；(3)绕组；(4)风叶；(5)端盖；(6) 端盖；(7)换向器；⑶穿线孔；(9)轴承，其中换向器由；(10)固定螺栓；(11)上半水银槽；(12)下半水银槽；(13)密封垫；(14)螺栓；(15)轴中心孔；(16)轴封;(17)轴承压盖；(18)压盖螺栓；(19)注液口 ； (20)片状弹簧；(21)羊毛毡；(22)平键；(23)整流子A ； (24)整流子B ； (25)整流子C ； (26)整流子D ； (27)间隔套；(28)轴端螺母；(29)极片；(30)极片接线柱；(31)水银P、消弧液、粉q ; (32)放液口 ； (33)接线柱；(34)导电半环；(35)出线孔。
3.电枢制造方法其特征在于:主轴粗车削后在安装换向器的一端钻(15)中心孔深入达绕组抽头处；在铣床上加工(8)穿线孔以及(35)出线孔。(8)穿线孔位于(3)绕组抽头处，计16个，单双分列两行沿轴圆周均佈，孔的轴线与主轴的轴线成45°夹角，孔直径略大于引出线直径，(35)出线孔计16个在同一圆周上均布，位于主轴端部，为椭圆孔，直径略大于引出线直径，孔轴线与主轴轴线夹角90°。(15)主轴中心孔截面积略大于(3)绕组引出截面积总和(23)、(24)、(25)、(26)整流子工作面光洁度为▽ 8在主轴上测试径向、轴向跳动小于 0.02。(3)绕组引出线 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 分别依次从(8)穿线孔入(15)轴中心孔并依次从(35)出线孔出，分别与(24)整流子极片、(30)接线柱同号连接；(23)整流子极片与(24)整流子极片同号连接。同时从(3)绕组引出线5处依次按顺时针方向分支线 5'、6'、V、8'、9, Λ0'、11'、12'、13'、14'、15'、16'、I,、2'、3,、4,与(26)整流子极片同号连接。(26)整流子极片与(25)整流子极片同号连接。
4.水银槽制造方法其特征在于采用塑料经注塑机、模具注塑成型，具备透视功能。(34)导电半环注塑前嵌入。
5.整流子制造方法其特征在于(23)、(24)、(25)、(26)正视为圆形，侧视为菱形，采用塑料、注塑机、模具注塑成型。(29)极片材质为饨铜，在整流子圆周表面均佈，注塑前嵌入，整流子工作面的光洁度为\7 8。
6.根据权利要求1、水银电刷P上的消弧液、粉q，厚度为:δ3R+S。
7.根据权利要求1、(3)绕组均压线的特征在于:甲种均压线(24)整流子极片第I片与(26)整流子极片第9片连接；(23)整流子极片第5片与(25)整流子极片第13片连接； 乙种均压线不接。
全文摘要
本发明涉及直流电机、换向器以及制造方法的改进。水银电刷换向器直流电机，详见附图3，由(1)定子、主极、换向极，(2)电枢，(3)绕组，(4)风叶，(5)端盖，(6)端盖，(7)换向器组成。其中换向器由(11)、(12)上下水银槽、(16)轴封，(20)片状弹簧，(21)羊毛毡，(23)、(24)、(25)、(26)整流子(34)导电半环，(33)接线柱，(31)水银P、消弧液q，(35)出线孔，(8)穿线孔组成。本电机具有换向器无机械磨损，无“打火”、无噪声，操作维护简单，使用寿命长、生产工艺简单，节省铜材，成本低的特点，电机具有低速大转矩，调速平滑的优点。
文档编号H01R43/06GK103117634SQ20111038336
公开日2013年5月22日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者罗松林, 何亚强 申请人:罗松林, 何亚强