碳刷弹簧和直流电机的制作方法

本发明属于电机制备技术领域，尤其涉及一种碳刷弹簧和直流电机。

背景技术：

目前，在中小型的直流永磁电机中，传统的有刷电机由于具有结构简单、成本低廉等优点被广泛应用。对于有刷电机而言，其电流换向是通过碳刷与换向器的接触及滑动而完成，碳刷弹簧为碳刷与换向器提供接触压力。

根据电机的体积、结构和工作条件，存在多种不同类型的碳刷弹簧，包括：螺旋弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧和板弹簧等。其中，体积相对较大、电压较高的电机，一般采用螺旋弹簧、涡卷弹簧或者扭杆弹簧，这类碳刷弹簧自身不具有导电性，仅仅为碳刷与换向器提供接触压力。对于板弹簧，由于其依靠冲压成形工艺，而且自身选用导电性良好的材料，可为电机的设计带来更高的自由度，常多用于低电压而且体积要求较高的应用场合，例如汽车。

在汽车领域，高度智能化、集成化成为发展趋势，其内置的驱动小电机也越来越多，例如智能刹车系统、驻车系统等已经逐渐成为各车型的升级、换代的重要指标，也就意味着在有限的体积内对各系统部件的体积提出了更高的要求，也就意味着各电机必须要考虑其小型化、轻量化的优化设计。同时，各车企面临的产业竞争，也必然驱使其在零部件的使用寿命、噪音水平等方面进行全面的改善，以提升其自身的综合竞争力。此外，汽车领域的实际情况，其内置的驱动小电机基本仍然是低压直流永磁电机，驱动电压基本都是12-24伏的低压区间，因此汽车领域的小电机内绝大部分都是采用板弹簧的设计。

传统的板弹簧主要采用铍青铜薄片冲压而成，铍青铜具有优异的疲劳性能和弹性，以及一定的导电性能，可以使得电机结构更加紧凑，体积更小。但是，一方面，铍青铜含有剧毒的铍，在生产工艺过程中，对环境的污染产生了不可修复的影响，对相关的从业人员更加是个极大的潜在风险。甚至，目前很多国家已经在制定相关政策，限制铍青铜的生产及使用。另一方面，为了兼顾铍青铜板弹簧工作时的弹性模量和硬度，铍青铜薄片必须经过冲压处理，过程中涉及了塑性变形、剪切冲裁等功能步骤，如果过程中控制不好，硬度较高的板簧弹片在切口位置容易产生缺陷甚至裂纹，造成应力集中，导致其在一定的服役时间后产生疲劳断裂，从而严重影响电机的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种碳刷弹簧以及包含该碳刷弹簧的直流电机，旨在解决现有铍青铜碳刷弹簧存在毒性成分以及服役时间短等问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种碳刷弹簧，所述碳刷弹簧为板弹簧，所述板弹簧包括：弹性支架和设置在所述弹性支架上的导电体，所述弹性支架包括碳刷安装部和电路接入部，所述导电体连接所述碳刷安装部和所述电路接入部，且所述弹性支架为非晶合金支架。

本发明提供的碳刷弹簧，为板弹簧，包括：弹性支架和设置在所述弹性支架上的导电体，且所述弹性支架为非晶合金支架。所述非晶合金支架为非晶合金制件，不含铍元素，成分安全，且兼具非晶合金的高强度、高硬度、耐疲劳以及良好的塑性变形能力和断裂韧性，可提供碳刷足够的接触压力，确保电机工作一段时间后碳刷弹簧提供的压力不会因为碳刷磨损而产生明显的下降；同时，由于非晶合金具有无序的晶体结构，不存在影响合金力学性能的空位、位错等缺陷，对缺口不敏感，对工艺的要求不高，不存在后期的开裂隐患，服役时间长。

相应的，一种直流电机，包括上述碳刷弹簧。

本发明提供的直流电机，包括上述碳刷弹簧，对环境友好安全，服役时间长。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种碳刷弹簧的部分结构剖面图；

图2为本发明实施例提供的一种碳刷弹簧的部分结构剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种碳刷弹簧的部分结构剖面图；

图4为本发明实施例提供的一种碳刷弹簧的部分结构剖面图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有铍青铜碳刷弹簧存在毒性成分以及服役时间短的问题，本发明实施例提供了以下具体技术方案：

一种碳刷弹簧，所述碳刷弹簧为板弹簧，所述板弹簧包括：弹性支架和设置在所述弹性支架上的导电体，所述弹性支架包括碳刷安装部和电路接入部，所述导电体连接所述碳刷安装部和所述电路接入部，且所述弹性支架为非晶合金支架。

本发明实施例提供的碳刷弹簧，为板弹簧，包括：弹性支架和设置在所述弹性支架上的导电体，且所述弹性支架为非晶合金支架。所述非晶合金支架为非晶合金制件，成分安全，且兼具非晶合金的高强度、高硬度、耐疲劳以及良好的塑性变形能力和断裂韧性，可提供碳刷足够的接触压力，确保电机工作一段时间后碳刷弹簧提供的压力不会因为碳刷磨损而产生明显的下降；同时，由于非晶合金具有无序的晶体结构，不存在影响合金力学性能的空位、位错等缺陷，对缺口不敏感，对工艺的要求不高，不存在后期的开裂隐患，服役时间长。

具体地，所述碳刷弹簧为板弹簧，不同于螺旋弹簧，所述板弹簧占用空间小，可使得电机结构紧凑，尤其适用于汽车中内置的驱动小电机。

所述板弹簧包括：弹性支架和设置在所述弹性支架上的导电体，且所述弹性支架为非晶合金支架。所述非晶合金支架的材质为非晶合金，具有高强度、高硬度、耐疲劳以及良好的塑性变形能力和断裂韧性等优点，本发明实施例通过采用非晶合金支架作为所述板弹簧的主体，可为碳刷提供足够的接触压力，确保电机工作一段时间后碳刷弹簧提供的压力不会因为碳刷磨损而产生明显的下降。同时，不同于铍青铜，非晶合金具有无序的晶体结构，没有晶界，对缺口不敏感，在冲压工艺中不容易产生缺陷甚至裂纹，具有非常优越的抗疲劳特性，服役时间长。

作为一种实施方式，所述非晶合金支架选为锆基非晶合金支架，其强度超过1800mpa，硬度基本都超过600hv，断裂韧性超过50mpa.m^1/2，弹性储能超过2.3*10⁷j/m³，远胜于铍青铜材质。在一些实施例中，所述非晶合金支架的材料组成为zracubalcmd，其中，m为过渡金属元素(例如nb、ta、mo、er等)，a、b、c和d的总和为100，30≤a≤75，5≤b≤40，0≤c≤20，0≤d≤10。其中，zr、cu、al是基础组分，具有优越的弹性储能特性；添加的过渡元素m，则能大幅提升溶液的过冷度，改善溶液快速凝固时形成非晶的能力，从而可以配合非晶合金支架所选用的复合浇注成型工艺。在另一些实施例中，所述非晶合金支架的材料为zr-cu-ni-al非晶合金体系。在又一些实施例中，所述非晶合金支架的材料为zr65cu15ni10al10。

所述非晶合金支架的具体结构可参考本领域常规的板弹簧或铍青铜碳刷弹簧，可根据电机的结构及其功率、转速等参数进行设计非晶合金支架的类型，或为薄片状的支架，或为两悬梁式结构，或为具有规则形状的支架结构，或各种无规则形状的支架结构。在一些实施例中，所述非晶合金支架为薄片状的支架，厚度为0.1-0.3mm。

所述非晶合金支架的制备可参考本领域常规的非晶合金制备方法，主要利用成型模具结合浇铸法进行制备，包括：制备非晶合金浆液，然后将浆液注入模具中并冷却至熔点以下温度固化成型。在一些实施例中，所述非晶合金支架的制备包括：将非晶合金原料加入真空度为1×10^-3pa的电弧炉中，充入惰性气氛保护，用电弧熔炼法将原材料熔炼成母合金；然后，将熔炼均匀的母合金在真空度优于1×10^-3pa的真空设备中，惰性气氛保护下，采用感应加热重新融化，收集熔体；将熔体采用铜模浇口以反重力铸造的方法快速注入，同时铜模另一端提供负压以改善熔体在模腔中的充盈能力，铜模的模腔内设置有与所述碳刷安装部和所述电路接入部相对应的区域；之后，快速冷却到熔点以下温度并开始快速凝固，熔体快速急冷到玻璃转变温度以下(避免晶化)，即制备获得非晶合金支架。脱模时，采用的铜模内芯棒为可拆卸结构，将其抽出后便可利用非晶薄壁管材的塑性变形能力实现顺利出模。

所述弹性支架包括碳刷安装部和电路接入部，所述导电体连接所述碳刷安装部和所述电路接入部。所述碳刷安装部用于将碳刷安装固定于弹性支架上，所述电路接入部用于接入外电路，所述导电体连接所述碳刷安装部和所述电路接入部，此时，所述电路接入部作为电流输入端，所述碳刷作为电流输出端，从而导通所述碳刷弹簧并与换向器、外电路形成电流回路。

所述导电体作为所述碳刷弹簧的导体，可采用本领域常规的导电体，根据电机的功率、转速等参数进行具体选择，使其与所述弹性支架配合后能够导通电流即可。

作为一种实施方式，所述导电体为铜导电体。一方面，铜具有较高的电导率，将所述铜导电体与所述非晶合金配合，可使得所述碳刷弹簧具有良好的导电功能；另一方面，铜具有良好的导热性能，可及时散热，利于提高所述碳刷弹簧的服役时间以及提高电机的性能。在一些实施例中，所述铜导电体的材料为无氧铜和/或紫铜，由此得到的碳刷弹簧的电导率大约是相同条件下的铍青铜碳刷弹簧的5倍，导电性能优异，避免了由于大阻抗导致的压降大、发热严重等缺陷，可明显提高电机的效率及性能。在另一些实施例中，所述非晶合金支架为锆基非晶合金支架，所述导电体为铜导电体。

所述碳刷弹簧中，所述导电体的个数可为一个或多个。当所述导电体的个数不止一个时，所述导电体还可同时设置于所述弹性支架的内部和其表面上。所述导电体的形状可具有多种，可根据电机和非晶合金支架的需求进行灵活调节，所述导电体的形状包括但不限于线状、条状、带状、棒状、片状和板状中的至少一种。在一些实施例中，所述碳刷弹簧包括至少一个所述导电体，且所述导电体的形状为线状、条状、带状、棒状、片状和板状中的至少一种。

所述导电体设置在所述弹性支架上，可设置于所述弹性支架的内部，还可设置于所述弹性支架内。所述导电体的具体结构可参考本领域常规的导电体，在一些实施例中，所述导电体的厚度为0.05-0.2mm。

作为一种实施方式，至少部分所述导电体设置在所述弹性支架的表面。在一些实施例中，如图1所示，设置在所述弹性支架表面的所述导电体呈片状或板状，并与所述弹性支架层叠设置，可以采用摩擦焊进行焊接而获得复合结构，其结构简单，成型方便。优选地，如图2所示，层叠设置的所述导电体和所述弹性支架之间还设置有减震橡胶层，减震橡胶为后压挤成型，材质为丁基、丁腈等高极性的橡胶，能进一步优化电机的噪音及振动性能。在其他的一些实施例中，如图3所示，设置在所述弹性支架表面的所述导电体呈线状、条状或带状，并卷绕设置于所述弹性支架上，能充分利用纯铜质软、延展性优异而易于机械加工的特点而复合成型。

作为一种实施方式，如图4所示，所述导电体内封于所述弹性支架中，该方法将导电体预先设计、铺设、固定于铜模具后，直接通过浇注而一体复合成型，具有工序流程少的突出优点，复合结构的可靠性也最高。在一些实施例中，所述导电体呈棒状，所述导电体插设于所述弹性支架内。

作为一种实施方式，所述弹性支架与所述导电体一体成型，使得所述弹性支架与所述导电体结合紧密，一定程度上提高了所述碳刷弹簧的结构稳定性，并可避免后期的二次机械加工，避开了非晶合金加工难度高的问题。制备时，将铜导电体先加工为所需的形状，然后将铜导电体成型模具的模腔内进行固定，之后，将非晶合金熔体注入模腔内并快速冷却到熔点以下使之凝固成型，出模，从而制备获得所述碳刷弹簧。在一些实施例中，所述成型模具为铜模，与铜导电体的材质基本接近，不影响溶液浇铸时非晶合金的合成制备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。