低磨损碳刷组件、碳刷与换向器的配合结构及直流电机的制作方法

[0001]
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种低磨损碳刷组件、碳刷与换向器的配合结构及直流电机。


背景技术：

[0002]
永磁直流有刷电机因其结构简单、体积小、重量轻、成本低，在电动玩具、家用电器、汽车工业上都得到了广泛的应用，尤其是在汽车工业上的应用。比如座椅电机、雨刮器电机、玻璃升降器电机、电子节气门体电机、尾门撑杆电机、电子真空泵辅助刹车电机、门锁电机、天窗电机等均采用的是永磁有刷直流电机。
[0003]
有刷直流电机运行时碳刷不断磨损，其寿命是一个难题，而客户对电机的寿命要求越来越高。碳刷磨损包括机械磨损和电气磨损。机械磨损和电气磨损都与碳刷对换向器的压强有关，即压强越大，机械磨损越大；压强越小，电气磨损越大。压强处在一个比较合适的范围且保持稳定，碳刷最耐磨。
[0004]
目前，碳刷对换向器的压强基本都是采用弹簧压在碳刷，碳刷压在换向器上实现的。但碳刷对换向器的压强与碳刷的剩余长度成比例减小。随着碳刷的磨损，压强减小，碳刷电气磨损增加，碳刷电气磨损增加又会加剧碳刷磨损，形成恶性循环。另外，换向器旋转会对碳刷产生一个沿旋转切线方向的摩擦力，使碳刷处于不平稳状态，也增加碳刷的磨损。


技术实现要素：

[0005]
本发明为克服现有技术中碳刷结构不合理，导致机械磨损和电气磨损严重的问题，提供一种低磨损碳刷组件，由于弹簧弹力方向设置为不与碳刷本体轴向中心方向重合，可以极大降低碳刷本体的电气磨损和机械磨损，延长其使用寿命。
[0006]
本发明还提供一种碳刷与换向器的配合机构，碳刷磨损小，工作稳定。
[0007]
本发明还提供一种直流电机，使用寿命长，寿命后期电机的性能和噪音与寿命前期相比无明显差别，效果显著。
[0008]
本发明采用的技术方案是：
[0009]
低磨损碳刷组件，与换向器配合传导电流，包括
[0010]
两端敞口的碳刷盒，具有安装腔；沿所述安装腔高度方向，所述安装腔相对的两侧壁分别为第一支撑面和第二支撑面；
[0011]
碳刷本体，具有第一工作面、第二工作面和第三工作面，设置在所述安装腔内一边；所述第一工作面为曲面状；所述第二工作面为平面，与所述碳刷本体轴向中心方向呈一定夹角；第三工作面与第一支撑面接触；
[0012]
弹簧，具有弹簧本体、连接部和尾勾，设置在所述安装腔内另一边；所述弹簧本体压在所述第二工作面上，其弹力方向与所述碳刷本体轴向中心方向呈一定夹角，倾斜朝向所述第三工作面；所述连接部与所述第二支撑面接触；所述尾勾弯折延伸到朝向所述换向器一端外，卡持固定在所述碳刷盒外壁上。
[0013]
进一步地，所述第二工作面包括平面状的接触面和非接触面；所述接触面与所述碳刷本体轴向中心方向呈一定夹角，并与所述弹簧本体接触；所述非接触面与所述第三工作面垂直。
[0014]
进一步地，所述弹簧本体构造成卷簧形式。
[0015]
碳刷与换向器的配合结构，包括
[0016]
前述的低磨损碳刷组件；
[0017]
换向器，与所述第一工作面接触；
[0018]
其中，所述换向器顺时针旋转时，所述弹簧位于所述碳刷盒内左侧；所述换向器逆时针旋转时，所述弹簧位于所述碳刷盒内右侧。
[0019]
进一步地，所述碳刷本体与所述换向器之间满足以下条件
[0020]
f1＝f*sinα，
[0021]
f2＝f*cosα，
[0022]
f1>f4，
[0023]
f4+f5＝f1＝f*sinα，
[0024]
f2＝f3，
[0025]
p＝f2/s＝(f*cosα)/s，
[0026]
其中，p为碳刷本体对换向器施加的压强，
[0027]
f为弹簧本体施加到第二工作面上的弹力，
[0028]
α为弹力与碳刷本体轴向中心方向的夹角，
[0029]
s为第一工作面的面积，
[0030]
f1为f垂直于碳刷本体轴向中心的分解力，
[0031]
f2为f沿碳刷本体轴向中心的分解力，
[0032]
f3为换向器对碳刷本体施加的压力，
[0033]
f4为换向器对碳刷本体施加的摩擦力，
[0034]
f5为第一支撑面对碳刷本体施加的支撑力。
[0035]
进一步地，所述碳刷本体对所述换向器施加的压强为3n/cm2≤p≤5n/cm2。
[0036]
直流电机，设置有前述的碳刷与换向器的配合结构。
[0037]
本发明的有益效果是：
[0038]
1.本发明中为解决现有技术中碳刷结构不合理，导致机械磨损和电气磨损严重的问题，提供一种低磨损碳刷组件。该碳刷组件包括碳刷盒、碳刷本体和弹簧。由于弹簧弹力方向设置为与碳刷本体轴向中心呈一定夹角，可以极大降低碳刷本体的电气磨损和机械磨损，延长其使用寿命。
[0039]
2.本发明还提供一种碳刷与换向器的配合结构，由于弹簧弹力方向设置为不与碳刷本体轴向中心成一定夹角，且夹角的大小、方向、弹簧力的大小及碳刷与换向器的接触面的面积的设置成一定的关系，该结构中碳刷电气磨损和机械磨损小，碳刷与换向器的配合结构能处于最稳定的状态。
[0040]
3.本发明还提供一种直流电机，该直流电机中采用碳刷与换向器的配合结构，显著提高了电机寿命。寿命后期电机的性能和噪音与寿命前期相比无明显差别，效果显著。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有现技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为实施例1中，碳刷盒的结构示意图。
[0043]
图2为实施例1中，碳刷本体的结构示意图一。
[0044]
图3为实施例1中，碳刷本体的结构示意图二。
[0045]
图4为实施例1中，碳刷组件的结构示意图。
[0046]
图5为实施例1中，碳刷与换向器的配合结构的示意图一。
[0047]
图6为实施例1中，碳刷与换向器的配合结构的示意图二。
[0048]
图7为实施例1中，换向器顺时针旋转时，碳刷本体受力分析示意图。
[0049]
图8为实施例1中，碳刷与换向器的配合结构的压强曲线。
[0050]
图9为实施例2中，碳刷与换向器的配合结构的示意图一。
[0051]
图10为实施例2中，碳刷与换向器的配合结构的示意图二。
[0052]
图11为实施例2中，换向器逆时针旋转时，碳刷本体受力分析示意图。
具体实施方式
[0053]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0055]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
[0056]
下面结合附图对发明的实施例进行详细说明。
[0057]
实施例1
[0058]
目前，碳刷对换向器的压强基本都是采用弹簧压在碳刷，碳刷压在换向器上实现的。但碳刷对换向器的压强与碳刷的剩余长度成比例减小。随着碳刷的磨损，压强减小，碳刷电气磨损增加，碳刷电气磨损增加又会加剧碳刷磨损，形成恶性循环。另外，换向器旋转会对碳刷产生一个沿旋转切线方向的摩擦力，使碳刷处于不平稳状态，也增加碳刷的磨损，碳刷的使用寿命急剧减少。
[0059]
本实施例中为克服现有技术中碳刷结构不合理，导致机械磨损和电气磨损严重，碳刷使用寿命短的问题，本实例首先提供一种低磨损碳刷组件，其结构如附图4所示。该碳刷结构包括碳刷盒1、碳刷本体2和弹簧3。碳刷本体2和弹簧3安装在碳刷盒1内。弹簧3的一
端与碳刷本体2的一端接触。碳刷本体2的另一端与换向器4接触。且碳刷本体2受到弹簧3的压力，其与换向器4之间产生一定的压强。碳刷本体2受到换向器4的反作用力，其与弹簧3之间亦存在一定的压强。
[0060]
具体的，碳刷盒1，两端贯通，其内部为安装腔11，如附图1所示(其中，碳刷盒的顶面未示出)。安装腔11内高度方向两侧壁分别为第一支撑面111和第二支撑面112。
[0061]
碳刷本体2，设置在安装腔11内，其一部分延伸到安装腔11敞口端外，并可与换向器4接触。碳刷本体2朝向换向器4的一端端面为其第一工作面21。远离换向器4的另一端端面为第二工作面22。碳刷本体2朝向第一支撑面111的一面为第三工作面23。如附图2和3所示，第一工作面21为曲面状。第二工作面22和第三工作面23为平面状。第二工作面22倾斜，其与碳刷本体2轴向中心方向呈一定夹角α。碳刷本体2安装到碳刷盒1内时，第三工作面23与第一支撑面111接触，并与第二支撑面112存在一定间隙，由碳刷盒1为碳刷本体2提供支撑力。
[0062]
本实施例中，为保证碳刷本体2强度，尤其是第二工作面22与第三工作面23过渡处的强度，第二工作面22被加工为接触面221和非接触面222。接触面221与碳刷本体2轴向中心方向呈一定夹角α，非接触面222垂直于第三工作面23。
[0063]
弹簧3，设置在安装腔内，一端压住碳刷本体2，另一端勾住碳刷盒1外壁。弹簧3包括弹簧本体31、连接部32和尾勾33。弹簧本体31优选构造成卷簧形式，压在接触面221上。连接部32与第二支撑面112接触。尾勾33弯折延伸到碳刷盒1敞口端外，卡持固定在碳刷盒1外壁上。通过换向器4和弹簧3共同作用，使得碳刷本体2保持在碳刷盒1内。
[0064]
采用本实例中的碳刷组件后，弹簧弹力方向与碳刷本体轴向中心方向呈一定角度α，可以极大降低碳刷本体的电气磨损和机械磨损，延长其使用寿命。
[0065]
将采用本实例中的碳刷组件与顺时针旋转的换向器4组合后，即本实施例中还可得到一种碳刷与换向器的配合结构，如附图5和6。其中，换向器4圆周侧壁与碳刷本体2的第一工作面接触。
[0066]
本实例中，换向器4顺时针旋转时，碳刷本体2的受力分析如附图7所示。第一工作面21上a点受到换向器4施加的力f3以及摩擦力f4，f3的方向沿碳刷本体1的轴向中心方向，f4为a点的切线方向。接触面221上b点受到弹簧本体31施加的弹力f。a点和b点与碳刷本体2轴向中心重合。第三工作面23上c点受到第一支撑面111施加的支撑力f5。沿碳刷本体2轴向中心方向以及垂直于碳刷本体2的轴向中心方向分解力f，可得f1和f2。
[0067]
其中，
[0068]
f1＝f*sinα；
[0069]
f2＝f*cosα。
[0070]
电机运行，碳刷处于平稳状态时，碳刷本体2固定在碳刷盒1内，第三工作面23与第一支撑面111紧密接触，需满足以下条件：
[0071]
f1＞f4；
[0072]
f1＝f4+f5；
[0073]
f2＝f3。
[0074]
碳刷本体2对换向器4表面的压强p为：
[0075]
p＝f3/s，
[0076]
其中，s为第一工作面21的面积。
[0077]
因此，
[0078]
p＝f2/s；
[0079]
即，
[0080]
p＝(f*cosα)/s。
[0081]
本实施例中，由于设置的弹簧弹力方向设置与碳刷本体轴向中心方向重合成一定夹角，使得弹簧对碳刷本体产生两个方向的分力：与碳刷本体轴向方向重合的分力和与轴向方向垂直的分力。且由于夹角大小、碳刷与换向器接触面的面积和弹簧力大小的设置使与碳刷轴向重合的分力让碳刷对换向器产生一个合适的压强，使得碳刷与换向器有较小的接触电阻和较小的摩擦力；夹角大小、方向及弹簧力的设置使与碳刷轴向垂直的分力与换向器对碳刷的摩擦力方向相反，且大于该摩擦力，使得碳刷在高速旋转的换向器表面上状态保持稳定。可以极大降低碳刷本体的电气磨损和机械磨损，延长其使用寿命。
[0082]
本实施例中，调节结构参数f、α和s，改变p的数值大小并进行电机碳刷磨损率、电机转速下降幅度、噪音等测试，检测结果如下表和附图8所示。
[0083][0084]
由于弹簧在一定行程内，力基本恒定，配以上述结构与参数，碳刷电气磨损和机械磨损很小，电机的寿命会有明显提高，且寿命后期电机的性能和噪音与寿命前期相比无明显差别，效果显著。从表中以及附图8从可以看出，当3n/cm2≤p≤5n/cm2时，碳刷电气磨损和机械磨损很小，电机寿命很长，性能非常稳定，噪音也小。
[0085]
实施例2
[0086]
本实施例中，碳刷与换向器的配合结构，换向器逆时针旋转，如附图9和10所示。该配合结构包括碳刷盒1、碳刷本体2、弹簧3和换向器4。碳刷盒1、碳刷本体2、弹簧3和换向器4的结构与实施例1中相同，区别在于本实施例中碳刷与换向器的配合结构中碳刷盒1、碳刷
本体2、弹簧3组成碳刷组件与实施例1中的碳刷与换向器的配合结构中的碳刷组件呈镜像对称关系。即，换向器4顺时针旋转时，弹簧4位于碳刷盒内1左侧；换向器4逆时针旋转时，弹簧4位于碳刷盒内1右侧。
[0087]
本实施例中，碳刷与换向器的配合结构的受力分析如附图11所示。第一工作面21上a点受到换向器4施加的压力f3以及摩擦力f4，f3的方向沿碳刷本体1的轴向中心方向，f4为a点的切线方向。接触面221上b点受到弹簧本体31施加的弹力f。第三工作面23上c点受到第一支撑面111施加的支撑力f5。沿碳刷本体2轴向中心方向以及垂直于碳刷本体2的轴向中心方向分解力f，可得f1和f2。
[0088]
其中，
[0089]
f1＝f*sinα；
[0090]
f2＝f*cosα。
[0091]
电机运行，碳刷处于平稳状态时，碳刷本体2固定在碳刷盒1内，第三工作面23与第一支撑面111紧密接触，需满足以下条件：
[0092]
f1＞f4；
[0093]
f1＝f4+f5；
[0094]
f2＝f3。
[0095]
碳刷本体2对换向器4表面的压强p为：
[0096]
p＝f3/s，
[0097]
其中，s为第一工作面21的面积。
[0098]
因此，
[0099]
p＝f2/s；
[0100]
即，
[0101]
p＝(f*cosα)/s。
[0102]
通过大量结构设计和测试，调节f、α和s，使得3n/cm2≤p≤5n/cm2时，碳刷电气磨损和机械磨损很小，碳刷与换向器的配合结构处于相对稳定的状态。