本发明涉及的是电刷领域,这种电刷可以确保电机的活动部分(集电器)和固定部分之间的电接触。
电刷主要包括两部分:与电机集电器摩擦的导电磨损件和金属连接绳索(或电缆)。
通常制造电刷的步骤如下:
a)至少制备一种粉末混合物,所述粉末包括导电粉末,主要是含有固体碳粒子和/或金属粒子的粉末,这是在室温下与固体粘合剂混合或涂有粘合剂的粉末,粘合剂主要有松脂、柏油或合成树脂;
b)将所述粉末混合物放在合适形状的模具中模压形成粗糙电刷;
c)将粗糙电刷进行焙烧;
d)加工成最终尺寸。
用下述不同的方法将通常为铜芯的电缆进行固定:
-或在模压步骤b)中将电缆在压前送入模中,以便加压把所述电缆固定在粉末混合物中;
-或在步骤d)中,开一个洞把电缆固定在磨损件中或将磨损件与电缆焊在一起,该磨损件上有一层金属,最后也可以将电缆磨损件铆在一起。
也已知道电刷的磨损件为多层,也就是说磨损件的不同特性的材料的多层连在一起。
法国专利FR2009196描述了多层刷的典型例子。
已有技术中的电刷存在的问题是它们的制造成本较高。
特别是在加工步骤d)中至少有两方面是成本较高的,首先一方面是该步骤本身既要费人工又要消耗工业设备(机器、场所…),这就使投资开发费用不可忽略,此外,该步骤会使加工过程中产生废品,这样既增加了电刷材料的成本,又造成了固体废料源,而处理该废料源又增加了附加费用。
另外还知道,加工/焊接磨损件要求比将磨损件送入步骤b)的模具中花费更多的钱来对连接起来的电缆进行固定。
关于粘接剂,人们知道合成粘接剂,酚树脂等均比煤沥青或石油沥青类的粘合剂、焦油(沥青和煤的混合物)所有出自煤或石油分馏物的产品贵。
总之,根据目前的价格分析,本申请人探讨出的工作方法可以直接得到成品尺寸的电刷(因而无加工程序),同时将电缆插入模子。所用的粘合剂很便宜,主要用的是分馏粘合剂(与合成粘合剂相反)。
根据本发明,含有磨损件和连接电缆的电机电刷的制造方法包括:制备至少一种粉末混合物的步骤a),粉末混合物包括至少一种裹有粘合剂的导电粉末;把混合物放在模具中并插入电缆进行加压铸造,以便形成粗糙电刷的步骤b);和焙烧所述粗糙电刷的步骤c),其特征在于为了通过铸选能直接得到成品尺寸的廉价的电刷,在步骤a)制备至少一种混合物M1,该混合物含有分馏粘接剂L和至少一种石墨粉末P1,石墨粉末为平均厚度小于25μm的固体粉状,其平均形状系数F1(大尺寸与小尺寸之比)很高,该系数大于5。
本领域的普通技术人员已知,对粉末加压会产生应力,在焙烧过程中,会在中间开始变软,最终它导致严重变形,这种变形要求在焙烧以后对这些电刷进行加工。
为了限定这些变形,我们已经知道若干专用方法以便在焙烧结束后获得成品尺寸的电刷。
在这些方法中,可以例举出把硫混合到分馏粘合剂(松脂,柏油)中,或用热固性合成粘合剂等方法。
如果想要得到成本低的电刷,这两种方法就要排除。
因为,使用硫不能在焙烧前引入铜电缆(在浇铸时),这是由于焙烧过程中硫会腐蚀铜电缆,此外,在加工时并不考虑将铜电缆固定到磨损件,因此该方法并不经济。
至于使用热固性合成树脂的问题,为了制造经济的电刷磨损件,也不主张使用这种树脂,因这它的价格高于分馏粘接剂的价格约10倍。
因此,本申请人索到的其他方法可以在焙烧以后直接获得成品尺寸的电刷,同时使用了价格低廉的粘接剂(来自煤或石油分馏物的粘接剂),并在加压浇铸步骤时引入铜电缆。
本申请人发现的这种方案可以在焙烧结束的直接获得确定尺寸的电刷,这种电刷可以交付使用,该方案的特征在于必须要有突变很大的石墨粉末,即该粉末有高形状系数F1和较小的平均厚度。
如果突变太小或平均厚度太大,申请人发现对粗糙电刷进行焙烧会引起很大的变形,因此在没有进行附加加工时就不能使用这些焙烧过的电刷。
目前,申请人的探索并不能确切地提出为什么使用本发明分馏粘合剂和特殊石墨粉末可以进行没有很大变形的焙烧的论据。
“没有很大变形”指的是焙烧过程中产生的最小变形可以保持在电刷尺寸容许误差范围内(参照规范CEI 136(C)(1986)DIN43000(1973)-AFNOR C 51902(1968))。这些规范的简单的形式在本申请人出版的STA AE 16-4F技术说明书中重新作了说明。举例来说,对于10mm的公称值(或者是“t”和“a”的理论值,因为电刷的横截面应该小于电刷架的横截面)来讲,根据3个轴“t”、“a”和“r”而规定的各尺寸的允许误差是:
“t”:10-0.03mm至10-0.11mm;
“a”:10-0.03mm至10-0.11mm;
“r”:10±0.3mm
这些尺寸示于图1a和1b中。
在该专利申请中,电刷“高度”表示“r”的方向。
此外,本领域普通技术人员已知,焙烧期间所有的变形均不总是危险的或是有严重问题的。不管如何,除了焙烧期间电刷的开裂外,技术人员或是担心偶然的变形(因而就要探讨再生产的条件),或是担心表示电刷弯曲的变形,这样就会使电刷不能再用。反之,在焙烧过程中电刷的位似变形-可再生产的变形,只要技术人员能够根据预定试验把可再生产的位似变形并入到电刷设计中或其生产过程中去就构不成作为问题的变形。
本申请所描述的方法可以克服令本领域普通技术人员头疼的变形问题。
图1a的1b为本发明电刷的透视图;
图1a为单层电刷(1),它有一个磨损件(2)和一个铜电缆(4),而图1b为本发明实例1的多层电刷(10),它有一个磨损层(20)和一个连接层(3),铜电缆(4)插入连接层中。我们还示出了集电器(5)和“a”、“r”及“t”的正交方向。
图2以剖视形式沿着加压方向示出了多层(层C1和C2)粗糙电刷(8)的制造方法,用阳模(7)对混合物M2和两种粉末P1和P2的混合物M1在模6中加压,电缆(4)插入混合物M2中,两种粉末分别为强突变,和弱突变的粉末,该图还示出了片状强突变颗粒P1在加压过程中折断的情况。
图3a和3b以剖视形式沿两个垂直方向分别表示典型的P1粒子和P2粒子,粒子的形状系数(突变)为比率D/d(较大尺寸D/较小尺寸d)。
图4a和4b分别为加压前后粉末P1和P2混合物M1的剖视图(根据微型照片示出)。可以看到粒子P1在加压以后的破碎情况(图中未标出粘接剂L)。
图5为本发明混合物M1组分的重量成分范围(矩形ABCD):
-粘接剂L:25%和30%之间
-强突变粉末P1:15%和75%之间
-弱突变粉末P2:0和55%之间
在图5中还示出了本发明的较佳范围(矩形A′B′C′D′):
-粘接剂L:25%和30%之间
-粉末P1:30%和60%之间
-粉末P2:15和40%之间
尽管本发明的基本方法是出自对特殊形态学的粉末P1的选择,但本申请人发现通过将所述粉末P1、所述粘接剂L和另一种石墨粉末P2的混合物加压获得磨损件(2)或磨损层(20)是较佳的,而所述的石墨粉末是一种由弱突变粒子构成的粉末,其形状系数F2为低于3的小系数。
因而,如果本发明粉末P1和粘接剂L的混合物导致电刷存在上述所提出的问题,并且在焙烧以后符合规格并具有成品尺寸的话,把弱突变石墨粉末P2与粉末P1混合就更好,这样既可加固电刷,又可以减少集电器的污染和电刷的磨损。
在由三种组分L、P1和P2组成的混合物M1的所有可行成分中。本发明的各成分范围是有限的,所述3种组分在传统上表示在一个三角形上,三角形的各个顶点指的是对应组分的100%成分。如图5所示,在顶点L、P1、P2的三角形上,本发明的范围是平行四边形ABCD,而本发明的较佳范围是平行四边形A′B′C′D′。
例如,点A,B,C,D的座标或成分(顶点为100%的重量百分比)是:
L P1P2
A 25 75 0
B 30 70 0
C 30 15 55
D 25 20 55
粉末P1和P2的所有形态特征和成分的相对限定均是本申请人的研究结果,它们构成了可供选择的实验条件,实验条件可以满足以下的所有条件:
-起始粉末为价廉的粉末,它不需要进行特殊处理,这是根据本领域常规可配制的粉末;
-电刷在焙烧过程中的变形不大;
-加压的将电缆插入磨损件/连接层中。
另外不言而喻的是所得到的电刷应该有满足常规数值的机械性能。
例如,如果混合物M1中的分馏粘接剂L的相对的重量百分比太大(>30%),就可能使混合物M1太湿,并在焙烧期间可能使电刷裂开。反之,如果粘接剂L的重量百分比太低(<25%),固体粒子(石墨粉末P1和P2)就粘合不到一起,这对成品电刷的机械性能是个危害(电刷太脆),并加速磨损。
同样,对于两种粉末P1和P2的相对重量百分比来讲,如果粉末P1的含量相对于粉末P2的重量百分比来讲太低的话,就可以发现经焙烧的变形很大。相反,如果缺少粉末P2,所得到的电刷就有上述问题,在此种情况下,本申请人发现电刷磨损更快,集电器的污染也就更高。
为此,由平行四边形A′B′C′D′表示出了本发明的较佳成分范围,该平行四边形对应的范围(重量成分)是:
L:25%至30%
P1:30%至60%
P2:15%至40%
根据本发明,所述的石墨粉末P1最好由强突变的薄片(所注双重尺寸特征的粒子)构成,其平均形状系数F1为5至20,平均厚度为1至15μm。
同样,所述弱突变石墨粉末P2最好由颗粒(所注三重尺寸特征的粒子)组成,其平均形状系数F2约为1,平均直径为10至200μm,最好是30至100μm。
根据本发明,最好制造多层电刷,例如图1b所示的双层电刷,该电刷由磨损层(20)和连接层(3)构成,所述电缆(4)插入连接层,以便使电缆和电刷剩余部分之间的由接触电阻造成的接触压降降低。
为此,在本发明方法的步骤a)中,制备两种不同的混合物M1和M2,M1对应于先前所述的混合物,M2含有石墨粉末、铜末和合成粘接剂;在步骤b)中,在将所述电缆的端部插入到所述上层以后,对叠加的两层进行加压,下面一层由粉末混合物M1构成,上层由混合物M2构成,以便得到由“磨损”的C1层和“连接”的C2层构成的双层粗糙电刷,而所述电缆已被插入连接层。
此外,在步骤c)焙烧完粗糙电刷以后,就获得不需作另外加工就可使用的电刷。
最好所述混合物M2有由合成粘接剂粘接的石墨粉末和重量百分比为15%至35%的铜末,所述合成粘接剂选自热固性树脂,最好选自酚树脂。
当所考虑的混合物M2含有成本高的粘接剂时,最好将混合物M2的用量(相对于混合物M1的量)限制到能够插入所述电缆所需要的最低量。
一般来说,为了在加压以后所获得的多层粗糙电刷的层C2(所述电缆插入该层中)的高度为2至10mm,就要选择混合物M1和M2的用量,所述多层的高度就是指所述混合物在所述模具中受力的方向。
通常,比率“层C1高度/层C2高度”一般在2至30之间,最常用的是在约5至10之间。
这样可以看到,构成电刷的绝大部分材料中含有价廉的粘接剂。
对于磨损层(20)或磨损件(2)的分馏粘接剂来讲,它是由煤或石油的分馏产品组成或由这样的分馏产品所衍生的产品所组成。
因为,通过分馏煤体或石油直接或甚至在转化后得到的这些粘接剂相对于合成粘接剂(主要是酚式热固性树脂,环氧树脂等)来讲更为经济。
但根据本发明,最好也可以制造单层电刷,它由相同的材料构成,不含有铜末,同样也可达到本发明的目的。
在该情况下,在制造方法的步骤a)中,把所述混合物M1和一种溶液进行搅拌,这种溶液的溶剂介质是其未稀释的材料重量至少为25%的合成树脂溶剂,搅拌一直进行到使所述混合物M1和所述溶剂物质的溶液达到均匀,并除去所述溶液的所述溶剂。
一般说来,在90份混合物M1中加5至20份合成树脂(表示成未经稀释的材料)。最好合成树脂为7至12份,该量要比分馏粘接剂L的量至少低50%。所述的合成树脂最好是酚树脂,而溶剂最好是乙醇。
为了使所得到的低成本的单层产品电刷在焙烧以后就具有成品尺寸,同时使该电刷有牢靠固定的电缆(4),就要选择合成树脂的用量(表示成未须稀释的材料)。
选择溶剂的数量是为了能够足够地搅拌流体,使混合物M1和合成树脂达到均匀。
这种“单层”电刷要明显比“双层”电刷更经济,因为它的生产要简单得多,它只有一种粉末混合物需要制备和配备,合成树脂的用量尽管在“单层”电刷中总的用量高于“双层”电刷的用量,但该合成树脂的用量还是要低于所用分馏粘接剂的用量-至少要少用重量的50%。
不论电刷是“单层”的或“多层”的,本发明的方法适用于制造比较细长(相对于它们的截面来讲要高)的电刷,特别是用于制造细长比P为2至6的电刷,细长比的定义是比值“高度/截面的平方根”
细长比P的这些范围取决于下面的论据:对于P<2,本发明不存在问题,电刷就不太细长,另一方面,对于P>6,电刷太细长,则就有可能不会直接可靠地用本发明方法得到电刷。
实施例
例1
根据图2所示的方法制造实例1b所示的多层电刷。
步骤a):
制备混合物M2,其重量配比为:
*铜末:20份
这种商用铜末为平均直径约30μm的粒子;
*粘在酚树脂上的商业天然石墨粉末:80份
石墨粉末为P1型(片状),平均形状系数F1为8,薄片的厚度构成10μm粉末。
重量比“石墨粉末/酚树脂”为75/25。
混合物M2的表面密度是0.85。
制备的混合物M1的成份为:
*粉末P1:石墨粉末(天然石墨和商业合成石墨基本为等量的混合物)由厚度为5至10μm、最大尺寸为50至200μm的片材构成(,见图3a)。
所用的天然石墨的特征在于薄片平均厚度为10μm,平均形状系数F1为8,而所用人工石墨的特征在于平均厚度为5μm,形状系数F1为12。
*粉末P2:商业人工的基本为球形颗粒的石墨粉末(形状系数约为1),球的平均直径为50μm。
*分馏粘合剂L:商业煤沥青。
混合物M1的重量配比为:
粉末P1:45%
粉末P2:27.5%
粘接剂L:27.5%
该成分对应于图5中的点1。混合物M1的表面密度为0.75。
步骤b)
把内截面为11×6mm2的模子(6)填料,图16中示出的是该模子的下面的形状,它沿着“r”的方向延伸。
首先将混合物M1加入,其粉末高度为50mm,然后将混合物M2加入,其高度为10mm。
压头(7)上带有连接电缆(4)。
对所有的粉末混合物和电缆一起加压,以便得到图1b所示的总高度为23mm左右的电刷。层C1的高度(被压的混合物M1)为18.2mm,层C2的高度(被压的混合物M2)为4.8mm。
层C1的密度为1.78至1.80,而层C2的密度为1.9至2.1。
步骤c)
把加压过的电刷在600℃的无氧化气氛中焙烧,以便防止铜电缆氧化。所有的这些实验中,气体环境的体积百分比为:10%H2-90%N2
电刷的成品尺寸为:
*高度(“r”轴)23.11mm
*长(“a”轴)11.21mm
*宽(“t”轴)6.23mm
突变系数为23.11/(11.21×6.23)1/2,即2.77。
对于标称内截面为11.3mm×6.3mm(“a”דt”)的电刷架和高度为23mm(标称值)的电刷,“r”、“a”和“t”允许的标准值为:
*高度“r”:22.5-23.5mm
*长“a”:11.26-11.17mm
*宽“t”:6.27-6.19mm
结果
一方面在焙烧以后没有发现电刷有明显的变形(沿“r”轴电刷无严重弯曲),另一方面所看到的变形很小(百分之几mm),从而使焙烧过的电刷尺寸处于允许范围内。
本发明方法的稳定性实验是对100个电刷的试样进行的,试样取自10000个电刷。
我们不仅看到所有未经辅助加工的模压粗糙电刷满足尺寸要求,而且还发现了尺寸上的误差很小。
因为对于本发明的一组100个电刷观察到的范围(统计上的范围=最大值-最小值)为:
*对于高度(“r”轴):0.52mm
*对于长度(“a”轴):0.049mm
*对于宽度(“t”轴):0.046mm
如果把这些值与满足下列规格的尺寸允许误差值相比:
*对于高度(“r”轴):1mm
*对于长度(“a”轴):0.09mm
*对于宽度(“t”轴):0.08mm
可以看出本发明的方法是怎么样稳定在很小的误差范围内的,这构成了一大特点。
其他补充实验和试验表明,一方面连接电缆的机械性能很好,另一方面本发明电刷的使用性能极佳,特别是大功率(500至1000W的功率或更高)家用电机更是如此,此时观察到的电刷磨损较小。
例2
除了制作层C1(20)所用的混合物M1成份为下列数值(图5上的点2):
粉末P1:67.5%
粉末P2:5%
粘接剂L:27.5%
以外,所作的电刷任何一点均与例1的电刷相同。
焙烧以后,所得到的电刷与例1的电刷基本相同,尺寸与规定相符。
但是,这些电刷在试验台上的磨损速率要稍高于例1电刷的磨损速率。
例3
除了制作层C1所用的混合物M1成份为下列数值(科5上的点3):
粉末P1:20%
粉末P2:52.5%
粘接剂L:27.5%
以外,所作的电刷任何一点均与例1的电刷相同。
焙烧以后,所得到的电刷基本象例1的电刷那样,尺寸与规定相符,均在指标的范围内。
例4
按照图1a制作的电刷,除了只制备单一的混合物M1和把例1的混合物M2由混合物M1代替外,各方面均与例1的电刷相同。
所得到的电刷的尺寸特性与例1的类似,但是,它们的使用特性稍低于例1的特性(由于接触电阻较高,电损失就较高,其使用寿命也就最短)。
例5
按下面方法制作“单层”式电刷:
步骤a):
*首先制备例1的混合物M1,
*然后将所述混合物M1和乙醇中含有40%酸树脂的溶液进行搅拌,对于90份混合物M1,用8份酚树脂(表示成未经稀释的酚树脂)和12份乙醇,各部份均用重量计。
*继续搅拌到完全均匀和经蒸发把乙醇排干净为止,这是因为搅拌放热使乙醇蒸发的缘故,以便在冷却以后得到准备压缩的粉末。
步骤b)
把所述准备进行压缩的粉末装进例1中的60mm高的模子中,然后加压得到的高度为23mm。
步骤c)就象例1那样进行。
得到的结果类似于例1电刷的结果。
其他试验:
所有这些试验都是根据平行四边行ABCD以外的混合物M1的成份进行的,或是电刷事实上不能被得到(例如缺少粘接剂L<25%),或是电刷破裂(L>30%),或是焙烧以后电刷变形太厉害(L为25%至30%时P2>55%)
本发明尤其涉及的是家用设备(吸尘器、钻床)的电刷,主要是大功率电刷(通常为500至1000W或更高)。本发明还涉及不太高的电刷,通常约15mm,这类电刷用于油泵电机。
本发明可以获得“单层”或“双层”式的电刷,这种电刷在焙烧以后的粗糙产品就已经是成品尺寸了,电机具有铜或铜合金的连接缆绳或电缆,这就省去了加工或成品车间中对电刷进行精加工。
此外,借助标准的电刷浇铸工具,通过加压和使用绝大部分为价廉的粘合剂就可得到这种结果。因此在整体上来讲,经济优点很大,它相对于已有技术的可比较的电刷来讲节省5%至15%,这对于大量消费的产品是相当大的。在“单层”式电刷的情况下这种经济上的优点更为突出。
反之,在技术方面,本发明得到的“双层”电刷性能更好,根据使用过程的需求量来看,“双层”电刷比“单层”电刷更受欢迎。
因为,在“双层”电刷的情况下,用于确保固定电缆(4),尤其是确保使合成树脂和铜末相连的层(3)成份可以同时既使电缆固定得很好,又可以连接电缆(4)/连接层(3)形成接触压降,这种接触压降与连接电缆(4)/磨损件(2)时观察到的压降(50mv左右)要弱(1.5mv左右)。
引起这种结果的原因是,正如所观察到的那样,本发明双层电刷的焙烧使层C1产生了轻微的膨胀,而使层C2收缩,由此对电缆(4)周围的材料加压而使电缆紧固在层C2中。