专利名称：电刷、整流子和整流设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电刷、整流子和整流设备，其用于旋转电机如电动机和发电机中。
背景技术：
通常，在电机如直流马达中，在定子上设置一对电刷，在转子上设置一个整流子。在转子中，多个电枢绕组分别连接到整流子的多个整流子片上。所述一对电刷依次压靠在整流子片上，以向电枢绕组供给电流，由此驱使转子旋转。
然而，电刷和整流子片之间歇并重复地相互接触。因此，电刷和整流子片之间的接触表面由于断续的传导而可能受到电磨损，另外由于压力接触而受到机械磨损。这种电磨损由放电现象(电火花)所造成，该放电现象在电刷与整流子片重复接触和分离时发生。
为了降低这种放电现象，如特开平5-15114中所披露，已知可采用层压电刷，所述层压电刷由两层构成，其中铜相对石墨的含量是不同的。具体地说，相对于整流子的旋转方向而言，所述电刷在前导侧具有高含铜量部，在尾侧具有低含铜量部，其中，所述低含铜量部的含铜量低于所述高含铜量部的含铜量。借助于这种结构，在不降低旋转电机的性能的情况下，所述电刷的寿命得到提高。
然而，在上述电刷中，由高含铜量部来维持性能如导电性，并由低含铜量部来改进抗磨损性。因此，难以进一步提高电刷和整流子的整流性(整流特性)和耐久性。
在特开2003-100411所披露的电刷中，在电刷表面上形成多组突起，所述电刷表面与整流子的整流子表面接触。此外，相对于整流子的旋转方向而言，这些突起以不同的相位形成。借助于这种结构，抑制了初始振动，并提高了电刷的耐久性。而且，通过将20wt％或更低的氮化硼作为润滑剂加入导电金属粉末如铜粉、石墨粉和粘结剂中来生产电刷。然而，这种电刷由单层构成。因此，难以进一步提高整流性和耐久性。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，本发明的一个目的是提供一种电刷、整流子和整流设备，其整流性和耐久性得到提高。
根据本发明的第一个方面，与整流子的整流子片接触的电刷具有由低电阻材料制成的低电阻层和由高电阻材料制成的高电阻层，所述高电阻材料具有比所述低电阻材料高的电阻率。此外，相对于高电阻材料的总重量而言，该高电阻材料含有大于20wt％的无机物质，其中，所述无机物质的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
因而，通过在高电阻层中加入具有高电阻率的无机物质来有意降低电刷的传导率，由此提高整流性和耐久性。也就是说，在具有上述电刷和整流子的旋转电机的旋转过程中，电流可以很容易地从电刷的低电阻层传递到与电刷相对的整流子片(第一整流子片)。
然后，在电刷与邻接第一整流子片的整流子的第二整流子片接触时，低电阻层与第二整流子片相对，且高电阻层与第一整流子片相对，其中，后二者之间的接触面积较小。此时，由于高电阻层的传导率降低，电流可很容易地从低电阻层传递到第二整流子片。相反，高电阻层和第一整流子片之间的电流量降低。于是，电刷的高电阻层和第一整流子片之间的电压增加便得到抑制，由此降低了其间的放电现象、如电火花的发生率。
以这种方式，电刷和整流子片之间的传导状态和非传导状态便相互明显区分出来。因此，旋转电机的整流性提高。此外，由于抑制了电刷和整流子片之间发生放电现象，电刷和整流子的耐久性得到提高。
根据本发明的第二个方面，与电刷接触的每个整流子片具有低电阻层和高电阻层。所述低电阻层由低电阻材料制成，所述高电阻层由高电阻材料制成，所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。此外，相对于高电阻材料的总重量而言，该高电阻材料含有大于20wt％的无机物质，其中，所述无机物质的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
因而，通过将无机物质加入高电阻材料中，可以有意降低高电阻层的传导率。在具有上述整流子片和电刷的旋转电机的旋转过程中，电流可很容易地从电刷传递到与电刷相对的第一整流子片的低电阻层。此外，在电刷与邻接第一整流子片的第二整流子片接触时，电刷以小的接触面积与第二整流子片的低电阻层以及第一整流子片的高电阻层相对。
由于高电阻层的传导率降低，电流可很容易地从第二整流子片传递到电刷。相反，流经电刷和第一整流子片的高电阻层之间的电流量降低。因而，降低了电刷和第一整流子片之间的放电现象的发生率。
因而，由于整流子片和电刷之间的传导状态和非传导状态可明显相互区分开来，整流性得到提高。此外，由于抑制了放电现象，电刷和整流子的耐久性得到提高。
本发明的其他目的、特点和优点将从下面参考附图的详细描述中变得显而易见，其中，相同的部件采用相同的附图标记表示，其中图1是根据本发明的第一实施例的直流马达的示意性视图；图2是根据本发明的第一实施例的整流子在沿着转子的旋转轴线观察时的俯视图；图3是沿着图2的III-III线所看到的整流子的横截面视图；图4是根据本发明的第一实施例的电刷和整流子的示意性截面图，其中，所述电刷与第一整流子片接触；图5是根据本发明的第一实施例的电刷和整流子的示意性截面图，其中，所述电刷与第一整流子片和第二整流子片接触；图6是根据本发明的第二实施例的电刷和整流子的示意性截面图，其中，所述电刷与第一整流子片接触；图7是根据本发明的第二实施例的电刷和整流子的示意性截面图，其中，所述电刷与第一整流子和第二整流子接触；图8是根据本发明的第五实施例示出了高电阻层的电阻率和电刷的磨耗率之间的关系的图表；图9是根据本发明的第六实施例示出了六方氮化硼的混合比和高电阻层的电阻率之间的关系的图表；图10是根据本发明的第六实施例示出了六方氮化硼的混合比和高电阻层的比重之间关系的图表；图11是根据本发明的第六实施例示出了六方氮化硼的混合比和高电阻层的弯曲强度之间关系的图表；图12是根据本发明的第六实施例示出了六方氮化硼的混合比和高电阻层的硬度之间关系的图表；
图13是根据本发明的第八实施例示出了高电阻层的电阻率增加所经历的时间和增大率之间关系的图表；图14是根据本发明的第八实施例示出了高电阻层的孔隙率和高电阻层的电阻率的增大率之间关系的图表；以及图15是根据本发明的第九实施例示出了操作时间和整流子片的表面不平度大小之间关系的图表。
具体实施例方式
以下将参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)参考图1和2，第一实施例的电刷4和整流子5用于作为旋转电机的直流马达。直流马达1具有定子2和转子3，其中，所述定子2设有永磁体或励磁线圈，所述转子3设有多个电枢绕组31。一对电刷4设在定子2上，以供应直流电。所述整流子5连接到转子3的转子轴32上。整流子5具有多个整流子片6，所述多个整流子片6分别连接到电枢绕组31上，如图4和5所示。
如图2和3所示，整流子5是扁平型的，并置于转子3的轴向端表面上，以与电刷4接触。具体地说，整流子片6安装在盘形的树脂体部件51上。整流子片6自树脂体部件51的中心511沿径向延伸。此外，邻接的整流子片之间形成间隙60，以在其间提供绝缘。
此外，如图3所示，连接部件52设在每个整流子片6和树脂体部件51之间。因此，每个整流子片6通过连接部件52连接到电枢绕组31上。弹簧45将所述电刷4朝向整流子5推压。因此，电刷4沿整流子5的轴向与该整流子5接触。
直流马达1例如用于车辆的燃料泵中。在直流马达1中，转子3沿一个方向R旋转，如图2、4和5所示。每个整流子片6具有两层。具体地说，相对于旋转方向R而言，整流子片6在前导侧具有低电阻层61，并在尾侧具有高电阻层62。此外，沿旋转方向R，电刷4的宽度小于整流子片6的宽度。
这里，低电阻层61由低电阻材料制成。高电阻层62由高电阻材料制成，其中，所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
此外，低电阻材料含有碳材料和粘结剂。高电阻材料含有碳材料、粘结剂和作为无机物质的氮化硼(BN)。氮化硼的混合比大于高电阻材料的总重量的20wt％。
更具体地说，通过将酚醛树脂作为粘结剂加入碳材料如石墨中来制造低电阻材料。通过将酚醛树脂作为粘结剂加入包括氮化硼和碳材料如石墨的混合材料中来生产高电阻材料。这里，氮化硼在混合材料中的含量在65wt％至85wt％之间的范围内。在该实施例中，六方氮化硼(h-BN)用作氮化硼。此外，通过将酚醛树脂作为粘结剂加入碳材料如石墨中来生产电刷4。
因而，在该实施例的整流子5中，具有高电阻率的氮化硼被主动加入到高电阻层62的高电阻材料中。因此，高电阻层62的传导率被有意降低，由此提高了整流性和耐久性。
接下来，将描述直流马达1的运行状况和由整流子5所产生的有利效果。
参考图4，在每个电刷4与第一整流子片6A(其为多个整流子片6中的其中一个)相对时，电流I通过电刷4和第一整流子片6A的低电阻层61供给到电枢绕组31。因此，转子3旋转。此时，由于电流I流经其电阻率低于高电阻层62的电阻率的低电阻层61，从而充分维持了电刷4和第一整流子片6A之间的传导率。
然后，在转子3的旋转作用下，电刷4开始与邻接第一整流子片6A的第二整流子片6B接触。在与电刷4相对的整流子片6从第一整流子片6A移动到第二整流子片6B的同时，电刷4与第二整流子片6B的低电阻层61以及第一整流子片的高电阻层62相对，且其与高电阻层62之间的接触面积较小，如图5所示。
由于高电阻层62的传导率被有意降低，电流I可容易地流经电刷4和第二整流子片6B的低电阻层61之间。相反，流经电刷4和第一整流子片6A的高电阻层62之间的电流I的量受到抑制。
也就是说，在与电刷4相对的整流子片6从第一整流子片6A移动到第二整流子片6B时，电刷4和第一整流子片6A之间的相对区域(接触面积)降低。因此，其间的电阻增大。此时，由于高电阻层62和低电阻层61之间的电阻差，电流I可容易地供给到低电阻层61。相反，残留在高电阻层62中的电流I降低。因而，由放电现象造成的损害、如电刷4和整流子片6的磨损得到抑制。
此外，高电阻层62含有高热阻的氮化硼。因此，即使在电刷4和第一整流子片6A之间的电压增大时，第一整流子片6A的高电阻层62被高度加热，高电阻层62的磨损从而得到有效降低。
这里，为便于描述，使用了第一整流子片6A和第二整流子片6B。通过任何整流子片6可以提供上述有利效果。
因而，电刷4和整流子5之间的传导状态和非传导状态被显著地相互区分开。因此，直流马达1的整流性得到提高。而且，由于电刷4和整流子片6之间的放电现象在整流子5中得到抑制，所以电刷4和整流子5的耐久性得到提高。
在低电阻层61的低电阻材料中，优选含有石墨颗粒，所述石墨颗粒具有铜板涂层或铜镀层(copper plate coatings)。在这种情况下，低电阻层61的接触电阻降低。这将在以后的第七实施例中更详细描述。
在含有氮化硼的高电阻层62的高电阻材料中，优选其孔隙率等于或低于30％。这在电刷5和整流子5用在液体中时是有利的，这是因为，高电阻层62的电阻率超时增加得到抑制。这将在以后的第八实施例中更详细描述。
在由石墨和粘结剂制造的电刷4中，优选所述石墨包括碳纤维。在这种情况下，电刷4和整流子片6之间的放电现象还可进一步有效降低。这将在以后的第九实施例中更详细描述。这种电刷4和上述整流子5构成一整流设备。
(第二实施例)参考图6和7，第二实施例的直流马达1具有一对电刷4，每个电刷由两个电阻层构成，所述整流子5具有多个整流子片6，每个整流子片由单层构成。具体地说，每个电刷4具有一个由低电阻材料制成的低电阻层41和一个由高电阻材料制成的高电阻层42，其中，所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
低电阻材料含有碳材料和粘结剂。高电阻材料含有碳材料、粘结剂和作为无机物质的氮化硼。这里，相对于高电阻材料总重量而言，氮化硼的混合比高于20wt％。
第二实施例的直流马达1用于车辆的燃料泵中，直流马达1的转子3沿着方向R旋转。如图6和7所示，相对于旋转方向R而言，每个电刷4在前导侧具有高电阻层42，在尾侧具有低电阻层41。这里，沿旋转方向R，电刷4的宽度小于每个整流子片6的宽度。
低电阻层41的低电阻材料与第一实施例的低电阻层61的低电阻材料相同。而且，高电阻层42的高电阻材料与第一实施例的高电阻层62的高电阻材料相同。此外，整流子片6由与第一实施例的电刷4的材料相同的材料制成。
在电刷4中，高电阻层42的高电阻材料含有氮化硼，所述氮化硼的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。因此，高电阻层42的传导率被有意降低，以由此提高整流性和耐久性。
接下来，将描述具有上述电刷4的直流马达1的运行状况和电刷4所产生的有利效果。
如图6所示，在每个电刷4与第一整流子片6A相对时，电流I通过低电阻层41和第一整流子片6A被供给到电枢绕组31。因此，转子3旋转。此时，由于电流I流经其电阻率低于高电阻层42的电阻率的低电阻层41，电刷4和第一整流子片6A之间的传导率被充分维持。
然后，随着转子3的旋转，每个电刷4与邻接第一整流子片6A的第二整流子片6B相对，如图7所示。在与电刷4相对的整流子片从第一整流子片6A移动到第二整流子片6B时，高电阻层42与第一整流子片6A相对，且其间的接触面积较小，低电阻层41与第二整流子片6B相对。
由于有意降低了高电阻层42的传导率，电路I可很容易地从低电阻层41和第二整流子片6B流过。另一方面，从高电阻层42流到第一整流子片6A的电流I的量降低。也就是说，在与电刷4相对的整流子片6从第一整流子片6A移动到第二整流子片6B时，高电阻层42和第一整流子片6A之间的相对区域(接触面积)降低。
因此，电刷4和第一整流子片6A之间的电阻增大。此时，通过低电阻层41和高电阻层42之间的电阻差，电流I可很容易地通过低电阻层供给。反之，残留在高电阻层42内的电流I降低。因此，由于放电现象所造成的损害、如电刷4和整流子片6的磨损降低。
此外，高电阻层42含有氮化硼，其具有高热阻。即使在高电阻层42和第一整流子片6A之间的电压增大时高电阻层42被高度加热，高电阻层42的磨损也可有效降低。这里，为便于描述，采用了第一整流子片6A和第二整流子片6B。
因而，整流子5和电刷4之间的传导状态和非传导状态可通过高电阻层42和低电阻层41显著地区分开。因此，直流马达1的整流性得到提高。另外，由于电刷4和整流子片6之间的放电现象受到抑制，电刷4和整流子片6的耐久性得到提高。
除了电刷4和整流子片6之外，第二实施例的结构与第一实施例的结构类似。因此，第二实施例的直流马达1提供了与第一实施例类似的有利效果。
在用于燃料泵的直流马达中，由于在电刷和整流子之间残留有燃料，易于发生放电现象。这种放电现象导致电刷4和整流子片6的磨损。通过在直流马达1中采用第二实施例的电刷4或者第一实施例的整流子5，有效降低了电磨损的发生。这种整流子5和上述电刷4构成一整流设备。
(第三实施例)下面将描述第一实施例的整流子5和第二实施例的电刷4的制造方法的示例。
带有两个电阻层41、42、61、62的整流子片6和电刷4的制造步骤如下首先，作为制造高电阻材料的方法，将碳粉如石墨(例如20wt％的天然石墨粉末，其平均粒径为30μm)和无机物粉末如氮化硼(如75wt％的六方氮化硼粉末，其平均粒径为10μm)相互混合在一起。然后，将酚醛清漆树脂(如重量比为15)作为粘结剂加入混合粉末(重量比为100)中，其中，所述酚醛清漆树脂溶解在甲醇溶液(如重量比为30)中。此外，用混合机进行所述混合，并由此生产混合材料。
之后，在干燥机中干燥混合材料，以蒸发甲醇。因此，获得了一块高电阻材料。此外，由冲击式粉碎机将所述高电阻材料压碎，并通过预定的滤网过滤。以这种方式，制造出高电阻材料粉末。
作为低电阻材料粉末的制造方法，首先，将碳粉如石墨(例如100wt％的天然石墨粉末，其平均粒径为30μm)和作为粘结剂的酚醛清漆树脂(其溶解于甲醇溶液中)相互混合在一起。类似地，混合材料被干燥，以蒸发甲醇，并将其压碎。因而，制造出低电阻材料粉末。
接下来，通过采用粉末冶金压缩方法，将低电阻材料粉末和高电阻材料粉末交替排列在预定形状的成形模具中并用压力机施压。因此，生产出预定形状的压块。然后，将压块置于电炉内并在还原气氛中加热至900℃。因此，粘结剂通过碳化被分解和燃烧。以这种方式，生产出具有两个电阻层41、42、61、62的电刷4和整流子5。
(第四实施例)在第四实施例中，将描述加入高电阻层42、62的高电阻材料中的无机物质的选用。
如以下表1所示，鉴于电阻率(Ω·cm)、沸点(℃)和莫氏硬度来检验可用作无机物质的物质。莫氏硬度用15级表示。级15表示最硬的级。
在表1中，“+”表示其适合用作无机物质。“0”表示其可以用来作为无机物质。“-”表示其较不适合用作无机物质。而且，(CF)n表示氟化碳。
表1 具体地说，就电阻率而言，可以认为，除了碳(C)之外的物质均适合用作无机物质。就沸点而言，认为沸点越高，热阻越高。基于这一点，每个物质的沸点用三种级别评价。“+”表示最高级别，“-”表示最低级别。
就莫氏硬度而言，认为具有与低电阻材料41、61的莫氏硬度类似的莫氏硬度的物质的磨耗率也类似于低电阻材料的磨耗率。此外，这种物质可抑制由于电刷振动而发生的放电现象。因此，莫氏硬度为1-2的物质更加合适，其与碳的莫氏硬度类似。
由于上述试验结果，二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、六方氮化硼(h-BN)、高岭土、滑石等可用作无机物质。
(第五实施例)
在第五实施例中，检验高电阻层62的磨耗率。这里，高电阻层含有用作无机物质的MoS2、WS2、h-BN、高岭土、滑石中的一种。在试验中，整流子片的高电阻层由下述高电阻材料I至VII制成。
I通过将95wt％的MoS2和5wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末(混合材料)的高电阻材料。
II通过将95wt％的WS2和5wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
III通过将65wt％的h-BN和35wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
IV通过将75wt％的h-BN和25wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
V通过将75wt％的高岭土和25wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
VI通过将55wt％的滑石和45wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
VII通过将75wt％的滑石和25wt％的碳材料以及粘结剂混合所获得的含有混合粉末的高电阻材料。
在上述试样I到VII中，相对于100重量比的混合粉末而言，粘结剂的重量比是15。粘结剂是酚醛清漆树脂。
在磨损试验中，直流马达被旋转预定的时间周期，其中，所述直流马达具有整流子片，在所述整流子片中，高电阻层由I至VII的每个高电阻材料制成。如图8所示，对每个直流马达中的电刷4的磨耗率进行测量。在图8中，水平轴线表示高电阻层62的电阻率(104μΩ·cm)，垂直轴线表示电刷4的磨耗率(单位时间内的磨耗量)(mm/kHr)。
如图8所示，在试样III、IV、V和VII中，电刷4的磨耗率较低。因此，可以认为试样III、IV、V和VII中所含的无机物质适合用作高电阻材料中的无机物质。另一方面，在试样I、II和VI中，电刷4的磨耗率相对较高。因此，一些新发明需要使用试样I、II和VI中所含的无机物质作为高电阻材料。
(第六实施例)在上述实施例中，可以认为六方氮化硼适合用作高电阻材料的无机物质。因此，在第六实施例中，对含有六方氮化硼和碳材料的高电阻层42、62的电阻率、比重、弯曲强度和硬度进行测量。如图9至12所示，六方氮化硼和碳材料的混合比是变化的。
在高电阻层42、62中，通过将酚醛清漆树脂(重量比为15)作为粘结剂加入含有六方氮化硼和碳材料的混合材料(重量比为100)中，可以制造高电阻材料。六方氮化硼与混合材料之间的混合比在45wt％和100wt％之间变化。例如，在六方氮化硼的混合比为45wt％时，碳材料的比率为55wt％。在六方氮化硼的混合比为100wt％时，不含碳材料。
在图9中，水平轴线表示六方氮化硼的混合比(wt％)。垂直轴线表示高电阻层42、62的电阻率(μΩ·cm)。对电阻率根据六方氮化硼的混合比的变化而作的变化进行测量。如图9所示，在六方氮化硼的混合比增大时，高电阻层42、62的电阻率具有很大的提高。
图10中，水平轴线表示六方氮化硼的混合比(wt％)。垂直轴线表示高电阻层42、62的比重。对比重根据六方氮化硼的混合比的变化所作的变化进行测量。如图10所示，高电阻层42、62的比重随着六方氮化硼的混合比的增大而降低。
在图11中，水平轴线表示六方氮化硼的混合比(wt％)，垂直轴线表示高电阻层42、62的弯曲强度(MPa)。对弯曲强度随着六方氮化硼的混合比的变化所作的变化进行测量。如图11所示，高电阻层42、62的弯曲强度随着六方氮化硼的混合比的增大而降低。
在图12中，水平轴线表示六方氮化硼的混合比(wt％)，垂直轴线表示高电阻层42、62的硬度(HsC)。对硬度随着六方氮化硼的混合比的变化所作的变化进行测量。如图12所示，高电阻层42、62的硬度随着六方氮化硼的混合比的增大而降低。
因而，电阻率随着混合比的变化而具有较大变化，尽管比重、弯曲强度和强度没有显著改变。因此，电阻率较大地影响了电刷4和整流子片6之间的放电现象的发生。优选对六方氮化硼的混合比进行确定，以使电阻率处于合适的范围内。具体地说，优选高电阻层的电阻率在20×104μΩ·cm(2×10-3Ω·m)和30×104μΩ·cm(3×10-3Ω·m)的范围内，六方氮化硼与混合材料之间的混合比在65wt％和85wt％之间的范围内。
(第七实施例)在第七实施例中，以下述方式证实了由含有石墨颗粒的低电阻材料所得到的效果，其中，所述石墨颗粒带有铜板涂层。
在一个试验中，采用直流马达(旋转电机)10，其具有整流子5和一对电刷4。测量当直流马达10在空气中操作以及在作为液体条件的汽油中操作时电刷4和整流子5之间的接触电阻。
具体地说，测量从一个电刷4通过整流子5和电枢绕组流到另一个电刷4的电流的电压(V)。可以认为，电压越高，接触电阻越大。这里，不考虑电刷4和整流子5的电阻率，因为那些部件的电阻率远小于上述接触电阻。
在直流马达10中，每个整流子片6由单层低电阻材料层构成。此外，所述低电阻材料含有石墨颗粒，所述石墨颗粒具有铜板涂层。石墨颗粒中，铜含量为65wt％。电刷4含有石墨和由酚醛树脂制成的粘结剂。
作为参考，参考直流马达的接触电阻(电压)被测量。在参考直流马达中，每个整流子片由单层低电阻材料层构成，所述低电阻材料层含有石墨颗粒，所述石墨颗粒没有铜板涂层。
直流马达10和参考直流马达置于空气和汽油中。测量直流马达处于停机以及直流马达操作时的接触电阻。在操作过程中，随着各直流马达的运行状况，负载电流(从一个电刷4通过整流子5和电枢绕组施加到另一个电刷4上的电流)为5A，转速为6000rpm。试验结果在表2中示出。
表2
如表2所示，在任何试验条件下，直流马达10的接触电阻均小于参考马达的接触电阻。特别地，就参考直流马达而言，在操作过程中，其在汽油中的接触电阻远大于在空气中的接触电阻。另一方面，就直流马达10而言，在操作过程中，其在汽油中的接触电阻低于在空气中的接触电阻。
因而，在低电阻层61的低电阻材料含有具有铜板涂层的石墨颗粒时，在汽油中操作时，电刷4和整流子5之间的接触电阻显著降低。在电刷4由低电阻层41和高电阻层42构成时，可以获得类似的结果。
(第八实施例)对用于高电阻层42、62的高电阻材料的孔隙率(％)和电阻率(％)之间的关系进行试验，以证实在孔隙率降低时由高电阻层42、62所获得的效果。
通过将酚醛树脂粘结剂加入混合材料中来生产高电阻层42、62的一试样，其中，所述混合材料含有75wt％的六方氮化硼和25wt％的石墨。此外，制备了具有不同孔隙率的多个试样。每个试样被浸入汽油中，并施加电流(0.1A)。在这种条件下，测量每个试样随着时间推移发生的电阻率变化。
图13是示出试样的电阻率增加的一个图表，其中，所述试样的孔隙率为22％。水平轴线表示经过的时间(Hr)，垂直轴线表示电阻率的增加(％)。这里，在初始状态，试样的初始电阻率为100％。测量基于随时间推移电阻率相对于初始电阻率的增大率(％)所产生的电阻率的增加(％)。
根据图13所示的图表，电阻率的增大率随时间推移而增大。然而，在经过了预定时间之后，增大率变得稳定。也就是说，电阻率增大，同时汽油充满试样的孔隙中。在孔隙充满汽油时，电阻率的增加变为稳定。
基于上述结果，孔隙率(％)和电阻率的增加(％)之间的关系在图14的图表中示出。水平轴线表示试样的孔隙率(％)。垂直轴线表示试样在浸没于汽油中250小时之后的电阻率的增大率。根据图表，电阻率随着孔隙率的增大而增大。
在使用直流马达时，如果高电阻层42、62的电阻率增加很大(如增大率等于或高于60％)时，其可能影响整流性。因此，优选使高电阻层42、62的孔隙率等于或低于30％。此外，优选将电阻率的增大率降低至等于或低于20％。因此，更优选使高电阻层42、62的孔隙率等于或低于20％。
如果孔隙率超过30％，高电阻层42、62的强度可能不足。然而，难以生产孔隙率很低的高电阻层42、62。因此，优选使其孔隙率等于或高于15％。这里，通过在成形高电阻层42、62时增大成形压力，使孔隙率很容易地降低。
(第九实施例)证实电刷4的耐久性，其中，所述电刷4与整流子片6接触，所述整流子片6具有低电阻层61和高电阻层62。通过将酚醛树脂作为粘结剂加入含有碳纤维(CF)的石墨中来制造电刷4。
对形成于整流子片6表面上的不平度(突起或凹坑)(mm)随直流马达的操作时间的推移(Hr)发生的变化进行测量。
作为试样，准备直流马达S1至S3。每个马达具有电刷4，其中，通过将酚醛树脂粘结剂加入混合材料中来制造电刷4，所述混合材料含有碳纤维和石墨。这里，在马达S1中，混合材料含有1wt％的碳纤维和99wt％的石墨。在马达S2中，混合材料含有2wt％的碳纤维和98wt％的石墨。在马达S3中，混合材料含有3wt％的碳纤维和97wt％的石墨。碳纤维的每个纤维的长度在30μm至300μm之间的范围内。每个纤维的直径在5μm至15μm之间的范围内。
通过将酚醛树脂粘结剂加入石墨中来生产低电阻层61的低电阻材料。通过将酚醛树脂粘结剂加入到混合材料中来生产高电阻层62的高电阻材料，其中，所述混合材料含有75wt％的六方氮化硼和25wt％的石墨。
对上述整流子片6上的表面不平度变化进行测量，其在图15的图表中示出。在试验中，每个马达S1至S3采用两个试样。
根据结果，尽管三个试样马达S1至S3的表面不平度随时间推移而增大，但是，表面不平度的增加并不显著。因此，可以认为，即使马达在长时间使用后，整流子片6的表面维持平滑。
具体地说，马达S2的表面不平度的增加小于马达S1的表面不平度的增加。此外，马达S3的表面不平度的增加小于马达S2的表面不平度的增加。因此，可以认为，表面不平度的增加随碳纤维含量增大而受到抑制。特别地，在马达S3中，即使经过延长的使用时间，表面不平度也大体不变。
在马达S1至S3中，因为表面不平度的增大受到抑制，电刷4和整流子片6之间的放电现象可进一步得到有效降低。因此，电刷4和整流子片6的耐久性得到提高。
如果碳纤维含量大大增加，整流子片6的表面可能受到不必要的磨损。因此，优选其含量等于或低于10wt％。
由于下述原因，马达S1至S3的表面不平度的增加受到抑制。因为电刷4中含有高硬度的碳纤维，具有高电阻层62和低电阻层61的整流子片6的表面在马达操作时稍微受到有意磨损。低电阻层61由低电阻材料制成，高电阻层62由高电阻材料制成，其中，所述低电阻材料含有作为其主要物质的石墨，所述高电阻材料中含有作为其主要物质的六方氮化硼和石墨。低电阻层61和高电阻层62具有类似的机加工性能和耐磨性(即磨损度)。因此，在整流子片6稍微受到电刷4磨损时，高电阻层62和低电阻层61通常磨损程度相同。因而，整流子片6的表面可维持基本光滑。基于莫氏硬度和解理性来确定机加工性能。
而且，在这样的直流马达中可以获得类似的效果，其中，每个电刷4由高电阻层42和低电阻层41构成，整流子片6通过将粘结剂加入含有碳纤维的石墨中而制成。
在上述实施例中，如果高电阻材料的无机物质含量等于或低于20wt％，便难以使高电阻层的电阻率增大到充分高于低电阻层的电阻率。因此，难以提高整流性和耐久性。反之，如果高电阻材料的无机物质含量大大增加，则高电阻层便可能变成绝缘层。因此，优选高电阻材料的无机物质含量等于或低于90wt％。
作为无机物质，优选使电阻率等于或高于1×10-2Ω·m(1Ω·cm)，沸点等于或高于1000℃，莫氏硬度在级别1至级别2的范围内，其类似于低电阻材料的莫氏硬度。
在无机物质的电阻率等于或高于1×10-2Ω·m时，电刷4和整流子片6之间的放电现象受到有效抑制。在沸点等于或高于2000℃时，电刷4和整流子5的耐久性(如热阻和耐磨性)得到有效提高。此外，在无机物质的莫氏硬度在级别1至级别2的范围内时，也就是说，在无机物质的莫氏硬度与低电阻材料的莫氏硬度相近时，在电刷4与整流子片6滑动接触时，低电阻层和高电阻层受到同等程度的磨损。因此，由于电刷4和整流子片6的表面维持光滑，便降低了由于电刷4的振动而发生的放电现象(即，电火花)。
由于低电阻材料和高电阻材料含有碳材料、如石墨，所以电刷4和整流子5的传导性和耐久性得到进一步提高。粘结剂采用合成树脂如酚醛树脂。
在低电阻材料含有具有铜板涂层的石墨颗粒时，低电阻层的接触电阻降低。在电刷和整流子用于液体中的情况下，上述效果非常显著。在这种情况下，由于低电阻层和高电阻层之间的接触电阻差降低，直流马达中的整流性进一步得到提高。这里，通过将铜涂覆在石墨颗粒的表面上来生产带有铜板涂层的石墨颗粒。
作为无机物质，优选采用氮化硼。在这种情况下，电刷4和整流子5的耐久性和传导性得到有效提高。此外，二硫化钼、二硫化钨和矿石如高岭土和滑石可用作无机物质。
优选通过将粘结剂加入混合材料中来生产高电阻材料，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％)。在这种情况下，电刷4和整流子5的传导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％时，高电阻层的电阻率降低。在这种情况下，难以充分维持电刷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过85wt％时，高电阻层的电阻率便受到不必要的增加。这就可能产生这种情况，即该高电阻层设有绝缘体。因此，可能在低电阻层和高电阻层之间的边界处产生放电现象。
在由含有氮化硼的高电阻材料制成的高电阻层中，优选其孔隙率等于或低于30％。在电刷4和整流子5用于液体中时，高电阻层的电阻率随着时间推移的增加受到有效抑制。孔隙率为孔隙体积与高电阻层的总体积之间的比率。
总的来说，如果电刷4和整流子片6的表面是不光滑的，电刷4在整流子片6的表面上振动。这便造成电刷4和整流子片6的寿命降低。在上述实施例中，整流子片6含有碳纤维，所述碳纤维提供足够的硬度。因此，具有高电阻层42和低电阻层41的电刷4的表面稍微受到整流子片6的有意磨损。可替换地，电刷4含有碳纤维。在这种情况下，具有高电阻层62和低电阻层61的整流子片6的表面稍微受到电刷4的有意磨损。因而，整流子片6的表面被保持光滑。结果，有效抑制了电刷4和整流子片6之间发生放电现象。此外，优选的是，所述高电阻层和低电阻层具有类似的机加工性能，以维持其表面光洁度。
此外，优选的是，碳纤维相对于混合材料的含量在1wt％和10wt％之间的范围内，其中，所述混合材料含有石墨和碳纤维。在这种情况下，电刷4和整流子片6的表面被进一步保持光滑。如果碳纤维含量小于1wt％，因为碳纤维的含量非常低，可能难以维持整流子片6和电刷4的表面的光滑度。另一方面，如果碳纤维含量超过10wt％，因为碳纤维含量非常高，电刷4或整流子片6的表面便可能受到不必要的磨损。
本发明不限于上述实施例，在不偏离本发明的精神的情况下，也可以通过其他方式实现。
权利要求
1.一种电刷(4)，其与整流子(5)的整流子片(6)接触，该电刷(4)包括低电阻层(41)，其由低电阻材料制成；以及高电阻层(42)，其由高电阻材料制成，所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率，其中相对于该高电阻材料的总重量而言，该高电阻材料含有大于20wt％的无机物质，所述无机物质的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
2.如权利要求1所述的电刷，其特征在于，所述低电阻材料含有碳材料和粘结剂，以及所述高电阻材料含有碳材料、粘结剂和所述无机物质。
3.如权利要求1所述的电刷，其特征在于，所述低电阻材料含有石墨颗粒，所述石墨颗粒带有铜板涂层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电刷，其特征在于，所述无机物质包括氮化硼。
5.如权利要求4所述的电刷，其特征在于，所述高电阻材料由混合材料和粘结剂组成，以及所述混合材料由氮化硼和碳材料组成，其中所述氮化硼的含量在65wt％和85wt％之间的范围内。
6.如权利要求4所述的电刷，其特征在于，所述高电阻层(42)具有等于或小于30％的孔隙率。
7.如权利要求5所述的电刷，其特征在于，所述高电阻层(42)具有等于或小于30％的孔隙率。
8.一种整流子(5)，其具有多个整流子片(6)，所述整流子片(6)与电刷(4)接触，每个整流子片(6)包括低电阻层(61)，其由低电阻材料制成；以及高电阻层(62)，其由高电阻材料制成，所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率，其中相对于该高电阻材料的总重量而言，该高电阻材料含有大于20wt％的无机物质，所述无机物质的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
9.如权利要求8所述的整流子，其特征在于，所述低电阻材料含有碳材料和粘结剂，以及所述高电阻材料含有碳材料、粘结剂和所述无机物质。
10.如权利要求8所述的整流子，其特征在于，所述低电阻材料含有石墨颗粒，所述石墨颗粒带有铜板涂层。
11.如权利要求8至10中任一项所述的整流子，其特征在于，所述无机物质包括氮化硼。
12.如权利要求11所述的整流子，其特征在于，所述高电阻材料由混合材料和粘结剂组成，以及所述混合材料由氮化硼和碳材料组成，其中所述氮化硼的含量在65wt％和85wt％之间的范围内。
13.如权利要求11所述的整流子，其特征在于，所述高电阻层(62)具有等于或小于30％的孔隙率。
14.如权利要求12所述的整流子，其特征在于，所述高电阻层(62)具有等于或小于30％的孔隙率。
15.一种整流设备，包括整流子(5)，其具有多个被布置成在操作时沿着方向(R)旋转的整流子片(6)；以及一对电刷(4)，其与所述多个整流子片(6)接触，其中所述多个整流子片(6)和所述一对电刷(4)中的一个由含有石墨和碳纤维的材料制成，所述多个整流子片(6)和所述一对电刷(4)中的另一个由低电阻层(41，61)和高电阻层(42，62)组成，其中所述低电阻层(41，61)由低电阻材料制成，所述高电阻层(42，62)由高电阻材料制成，所述高电阻材料中含有大于20wt％的无机物质，且其电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。
16.如权利要求15所述的整流设备，其特征在于，相对于所述旋转方向(R)而言，每个所述整流子片(6)在其前导侧具有低电阻层(61)，并在其尾侧具有高电阻层(62)。
17.如权利要求15所述的整流设备，其特征在于，相对于所述旋转方向(R)而言，每个所述电刷(4)在其前导侧具有高电阻层(42)，并在其尾侧具有低电阻层(41)。
全文摘要
在旋转电机(1)的整流子(5)中，每个整流子片(6)具有由低电阻材料制成的低电阻层(61)和由高电阻材料制成的高电阻层(62)，其中所述高电阻材料的电阻率高于所述低电阻材料的电阻率。所述低电阻材料含有碳材料和粘结剂。所述高电阻材料含有碳材料、粘结剂和无机物质如氮化硼。无机物质在高电阻材料中的混合比大于20wt％。或者，与整流子片(6)接触的电刷(4)可具有高电阻层(42)和低电阻层(41)。
文档编号H01R39/24GK1790839SQ20051012855
公开日2006年6月21日 申请日期2005年11月30日 优先权日2004年11月30日
发明者滨松宏武, 村上洋一, 本保亮一, 清濑显三, 池田光男, 坂浦洋一, 中川慎也, 西尾诚 申请人:株式会社电装, 特耐斯株式会社