带有具有特定电导率分布以抑制火花的电刷和换向器的电机制造技术

提出一种具有电刷换向器结构(1)的电机。电刷(3)和换向器(5)配置为在电机(1)运转时，电刷(3)和换向器(5)在横向位移方向(7)上相对于彼此位移，并且电刷(3)的接触面(9)沿着重叠区(13)与换向器(5)的接触面(11)以机械方式接触，从而产生电接触。因此，电流穿过重叠区(13)在电刷(3)与换向器(5)之间传输。电刷(3)和/或换向器(5)在垂直于各自接触面(9、11)的方向(25)上的垂直电导率在局部沿着横向位移方向(7)变化。电刷(3)和/或换向器(5)中垂直电导率分布配置为即使电机以最大允许功率运转时，对于电刷(3)和换向器(5)相对于彼此位移时的全部空间组态的至少90％，穿过重叠区(13)的电流密度不超过穿过电刷换向器结构(1)的额定最大平均电流密度的130％。由于电刷(3)或者换向器(5)内的垂直电导率的这种特殊变化，可以减小所提出的电刷换向器结构(1)中的火花和造成的磨损。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种包括电刷换向器结构的电机。
技术介绍
电机可以用作发动机或发电机并且可以用于各种应用。存在许多类型的电机。在一种类型中，转子可以相对于定子旋转，并且通过包含在转子中的电磁体产生的磁场与包含在定子中的永久磁体或者电磁体产生的磁场的相互作用来驱动转子。在这种方式中，必须将电功率输送到转子及其电磁体。通常，电刷换向器结构用于这种电功率输送。典型地，两个或者多个电刷设置于固定位置，例如设置于定子，并且具有两个或者多个片的换向器设置于转子。换向器可以相对于电刷运动。电刷电连接到电源，例如连接到DC电源。换向器电连接到定子的电磁体。电刷通过电刷与换向器的表面以机械方式接触的接触区与换向器电接触。电机运转时，电刷在旋转的换向器的表面上滑动，由此将电功率输送到转子的电磁体。WO2009/083433A1中描述了一种电机和包含于电机中的电刷换向器结构的例子。已经观察到，包括电刷换向器结构的电机运转时，在电刷处和/或换向器处发生显著磨损。
技术实现思路
需要一种包括例如减小运转时磨损的电刷换向器结构的改进型电机。独立权利要求中限定的电机可以满足这种需要。从属权利要求限定了有利实施例。根据本专利技术的一方面，提出一种具有包括至少两个电刷和换向器的特殊电刷换向器结构的电机。其中，所述电刷中的每一个和所述换向器配置为所述电机运转时，所述电刷和所述换向器在横向位移方向上相对于彼此位移，并且所述电刷的接触面沿着重叠区与所述换向器的接触面以机械方式接触，从而沿着所述重叠区在所述电刷和所述换向器之间产生电接触。在这种电接触时，电流穿过所述重叠区在所述电刷与所述换向器之间传输。此外，所述电刷和/或所述换向器在垂直于所述电刷和/或所述换向器的接触面的方向上的各自的电导率在局部沿着所述横向位移方向变化。在此，将垂直于所述电刷和/或所述换向器的接触面并且因此也垂直于所述位移方向的这种电导率称为“垂直电导率”。所述电刷中和/或所述换向器中的垂直电导率分布特殊地配置为即使所述电机以最大允许功率运转时，对于所述电刷和所述换向器相对于彼此位移时的全部空间组态的至少90％，穿过所述重叠区的电流密度不超过穿过所述电刷换向器结构的额定最大平均电流密度的130％。尽管下面将进一步描述基于本专利技术实施例的思想和观察的细节，但是一些通用思想和观察可以总结如下：已经观察到，电刷与换向器之间可能发生火花，并且这种火花可能对电刷换向器结构造成磨损和恶化。当电刷的接触面与换向器的接触面之间的重叠区的尺寸减小时，即，当在换向器旋转中，电刷在换向器片的横向缘上移动时，尤其发生这种火花。在观察到这些影响，而且最定性地理解这些影响的同时，本专利技术的专利技术人开发了一种模型，该模型允许定量地理解该影响并且因此允许限定量化的措施，以减小或者甚至防止该影响。特别地，已经发现，可以改变用于形成电刷或者换向器的材料的性质，使得电刷或者换向器的材料中的垂直电导率，即，垂直于接触面的方向上的电导率，在平行于接触面的方向上变化。因此，垂直电导率例如可以在靠近电刷或者换向器的前沿的区域中，即，电刷和换向器相对于彼此旋转时首先接触的区中，比靠近后沿的区域中更高。尽管在例如WO2009/083433A1中描述的现有电机中已经进行了关于电导率配置电刷或者换向器中的材料性质，但是未定量地理解或模型化这种配置的影响。因此，不能根据任何定量模型或者模拟来优化垂直电导率的变化。本专利技术人开发出一种可以定量地模拟和分析电刷换向器结构的特征的模型。对模拟结果的分析揭示出，当以穿过电刷与换向器之间的重叠区的电流密度不超过穿过电刷换向器结构的额定最大平均电流密度的130％，或者优选不超过110％的方式，配置电刷和/或换向器中的垂直电导率分布时，可以改善电刷换向器结构的性质。额定最大平均电流密度，在下文中也简称为“RMAECD”，是对于给定导电材料的电刷或者换向器不会超过的电流密度，并且通常由这种电刷/换向器材料的生产商或者供应商给出，作为电刷与换向器之间的典型接触区上的平均值。即使当电机以最大容许功率，即，例如由电机的生产商定额的最大功率运转时，该电流密度限制仍适用。尽管针对电刷换向器结构的所有可能配置，即，对于在电刷和换向器相对旋转运动时换向器相对于电刷的所有可能位置，相应地限制电流密度可能有好处，但是针对电刷和换向器相对于彼此位移期间的所有空间配置的至少90％，相应地限制电流密度可能就够了。实验表明，通过作为适当选择或者改变电刷或者换向器的材料性质的结果，特殊地配置电刷或者换向器中变化的垂直电导率，能够显著减小电刷换向器结构的磨损。特别地，已经观察到，如果例如电刷中的垂直电导率在电刷的各段中不同，使得在电刷相对于换向器位移时没有组态或者只有非常少的组态的电流密度超过穿过电刷结构的额定最大平均电流密度，则可以显著抑制火花，从而减小恶化磨损。根据实施例，对于横向位移方向，电刷的第一段中的垂直电导率比设置于电刷的第一段的下游的电刷的第二段中的垂直电导率高。作为一种选择或者另外，换向器的第一段中的垂直电导率比设置于换向器的第一段的上游的换向器的第二段中的垂直电导率高。换句话说，通常，电刷中和/或换向器片中的垂直电导率靠近其前沿处比靠近其后沿处更高。因此，当电刷靠近换向器片的后沿以及在换向器片的后沿上移动并且电刷的接触面与换向器的接触面之间的重叠区逐步减小时，由于垂直电导率逐步减小，穿过这样缩小的重叠区的电流减小。因此，电流密度不超过或者仅短暂地超过RMAECD的130％或者110％的限制并且不发生或者仅少量发生火花。在此，根据实施例，电刷的第一段内的单位面积上的平均垂直电导率比电刷的第二段内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍，优选地高10倍。作为一种选择或者另外，换向器的第一段内的单位面积上的平均垂直电导率比换向器的第二段内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍，优选地高10倍。换句话说，靠近电刷和/或换向器片的前沿的单位面积中的平均垂直电导率优选地比靠近后沿的单位面积中的高5倍甚或10倍以上。已经发现，垂直电导率沿着电刷和/或换向器片的接触面的横向位移方向的这种显著变化有效地抑制了火花或者电弧。根据另一个实施例，电刷和/或换向器至少包括沿着横向位移方向依次排列并且具有不同垂直电导率的第一段、第二段和第三段。换句话说，电刷和/或换向器片可以至少包括形成不同段的3层或者3部分：第一段靠近前沿，第二段在中间，第三段靠近后沿。例如作为使材料或者材料成分不同的结果，这些段的垂直电导率不同。在此，根据实施例，电刷和/或换向器的第一段内的单位面积上的平均垂直电导率分别比电刷和/或换向器的第二段内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍，优选高至少10倍。此外，电刷和/或换向器的第二段内的单位面积上的平均垂直电导率分别比电刷和/或换向器的第三段内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍，优选高至少10倍。换句话说，电刷和/或换向器片的垂直电导率，在靠近前沿的区段中比在靠近后沿的区段中高至少25倍。已经发现，垂直电导率沿着电刷和/或换向器片的接触面的横向位移方向的这种显著变化有效地抑制了火花或者电弧。根据实施例，在电刷和/或换向器中，垂直电导率在横向位移方向上连续变化。换句话说，优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有电刷换向器结构(1)的电机，其特征在于，包括：至少两个电刷(3)，以及换向器(5)，其中所述电刷(3)中的每一个和所述换向器(5)配置为所述电机运转时，所述电刷(3)和所述换向器(5)在横向位移方向(7)上相对于彼此位移，并且所述电刷(3)的接触面(9)沿着重叠区(13)与所述换向器(5)的接触面(11)以机械方式接触，从而沿着所述重叠区(13)在所述电刷(3)与所述换向器(5)之间产生电接触，并且电流穿过所述重叠区(13)在所述电刷(3)与所述换向器(5)之间传输，其中所述电刷(3)和所述换向器(5)中的至少一个在垂直于各自的接触面(9、11)的方向(25)上的垂直电导率在局部沿着所述横向位移方向(7)变化，并且其中所述电刷(3)和所述换向器(5)中的至少一个中的垂直电导率分布配置为即使所述电机以最大允许功率运转时，对于所述电刷(3)和所述换向器(5)相对于彼此位移时的全部空间组态的至少90％，穿过所述重叠区(13)的电流密度不超过穿过所述电刷换向器结构(1)的额定最大平均电流密度的130％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有电刷换向器结构(1)的电机，其特征在于，包括：至少两个电刷(3)，以及换向器(5)，其中所述电刷(3)中的每一个和所述换向器(5)配置为所述电机运转时，所述电刷(3)和所述换向器(5)在横向位移方向(7)上相对于彼此位移，并且所述电刷(3)的接触面(9)沿着重叠区(13)与所述换向器(5)的接触面(11)以机械方式接触，从而沿着所述重叠区(13)在所述电刷(3)与所述换向器(5)之间产生电接触，并且电流穿过所述重叠区(13)在所述电刷(3)与所述换向器(5)之间传输，其中所述电刷(3)和所述换向器(5)中的至少一个在垂直于各自的接触面(9、11)的方向(25)上的垂直电导率在局部沿着所述横向位移方向(7)变化，并且其中所述电刷(3)和所述换向器(5)中的至少一个中的垂直电导率分布配置为即使所述电机以最大允许功率运转时，对于所述电刷(3)和所述换向器(5)相对于彼此位移时的全部空间组态的至少90％，穿过所述重叠区(13)的电流密度不超过穿过所述电刷换向器结构(1)的额定最大平均电流密度的130％。2.根据权利要求1所述的电机，其中对于所述横向位移方向(7)，所述电刷(3)的第一段(15)中的垂直电导率比设置于所述电刷(3)的所述第一段(15)的下游的所述电刷(3)的第二段(19)中的垂直电导率高，并且/或者所述换向器(5)的第一段(21)中的垂直电导率比设置于所述换向器(5)的所述第一段(21)的上游的所述换向器(5)的第二段(23)中的垂直电导率高。3.根据权利要求2所述的电机，其中，所述电刷(3)的所述第一段(15)内的单位面积上的平均垂直电导率比所述电刷(3)的所述第二段(19)内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍，并且/或者所述换向器(5)的所述第一段(21)内的单位面积上的平均垂直电导率比所述换向器(5)的所述第二段(23)内的单位面积上的平均垂直电导率高至少5倍。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电机，其中所述电刷(3)和所述换向器(5)中的至少一个至少包括沿着所述横向位移方向(7)依次排列并且具有不同垂直电导率的第一段...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉斯洛·卡特纳，
申请(专利权)人：申克霍夫曼碳科技股份公司，AC二T科研有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT