BR102017005229A2

BR102017005229A2 - Comutador, e, método para fabricação de um comutador.

Info

Publication number: BR102017005229A2
Application number: BR102017005229-0A
Authority: BR
Inventors: Jing Chao Zheng; Chi Man LAW; Xiu Xian WANG
Original assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2020-03-10
Also published as: DE102017105497A1; US10205293B2; JP2017189096A; BR102017005229A8; CN107204557A; US20170271832A1

Abstract

the invention relates to a commutator, comprising an insulating base and a plurality of commutator segments arranged on the insulating base, wherein each commutator segment comprises a metal layer, a transition layer and a graphite layer arranged on the base in sequence. the transition layer contains a material identical to that of the graphite layer and a material identical to that of the metal layer. the invention further relates to a motor comprising the commutator and a method for manufacturing the commutator. as the transition layer contains the material identical to that of the graphite layer and the metal layer, the problem that the graphite layer and the metal layer are cracked during high temperature sintering is resolved. the service life of the commutator is prolonged. the method for manufacturing the commutator reduces chemical contamination and production cost caused by electroplating and brazing used in a traditional technology.

Description

“COMUTADOR, MOTOR, E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM COMUTADOR” Campo da invenção [001] A presente invenção refere-se a um comutador, um motor usando o mesmo e um método de fabricar o comutador.

Fundamentos da invenção [002] Um comutador de grafite é uma das peças mais importantes de um motor de bomba de óleo. A qualidade de um comutador de grafite é importante para o desempenho do motor.

[003] Um comutador de grafite atual é composto, principalmente, de lâminas de grafite (carvão) e lâminas de cobre. As lâminas de grafite são usadas para conduzir eletricidade e como partes de desgaste. As lâminas de cobre são usadas para condução elétrica e são conectadas aos enrolamentos de motor. A conexão e montagem das lâminas de grafite e lâminas de cobre é um dos pontos principais do processo de fabricação de comutador de grafite. Um dos processos de fabricação atuais é, primeiramente, metalizar a superfície da lâmina de grafite por um método de eletrogalvanização e, em seguida, soldar a lâmina de cobre à mesma por meio de um processo de enchimento com solda. O processo de fabricação apresenta as desvantagens do alto custo de processo de eletrogalvanização, não ambientalmente amigável e facilidade de se soltar da lâmina de grafite. Um segundo processo atual de fabricação é pressionar o pó de grafite e pó de metal puro (principalmente pó de cobre) através de processo de pressão direta do pó e formar, em seguida, a lâmina de grafite metalizada superficial através de processo de tratamento termal por cura a baixa temperatura. As lâminas de cobre são também conectadas por soldagem. O projeto apresenta as desvantagens da resistência do produto ser elevada e da eficiência do motor ser baixa uma vez que o tratamento termal a alta temperatura (como temperatura de sinterização acima de 500 graus) não pode ser usado. Se o produto for sujeito a tratamento termal a alta temperatura, devido à diferença no coeficiente de expansão termal do material de grafite e do material metálico, a junção da camada de grafite e a camada de metal ser facilmente fraturável. UM terceiro processo de fabricação atual é soldar diretamente a lâmina de grafite e a lâmina de cobre por um método de soldagem a alta temperatura. Este processo tem a desvantagem de custo elevado e causar o amolecimento da lâmina de cobre que aumenta a dificuldade para a montagem do motor.

Sumário da invenção [004] Pelo exposto, é necessário ser provido um comutador, um motor usando o mesmo e um método de se fabricar o comutador.

[005] Um primeiro aspecto desta invenção é prover um comutador, compreendendo uma base isolante e uma pluralidade de segmentos de comutador arranjados sobre a base isolante, em que cada segmento de comutador compreende uma camada de metal, uma camada de transição e uma camada de grafite, todas arranjadas em sequência sobre a base isolante, a camada de transição contendo um material idêntico ao da camada de grafite e um material idêntico ao da camada de metal.

[006] De preferência, o comutador compreende ainda uma pluralidade de terminais condutivos, cada um dos terminais condutivos sendo correspondentemente conectado à camada de metal do correspondente segmento de comutador.

[007] De preferência, o material da camada de grafite é pó de grafite, e o pó de grafite é, pelo menos, um selecionado de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial e micro glóbulos de meso-carbono.

[008] De preferência, o material da camada de transição é, pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em pó de grafite e pó de metal.

[009] De preferência, a proporção de massa do pó de grafite na camada de transição é de 10% a 30%, e a proporção de massa do pó de metal é de 70% a 90%.

[0010] De preferência, o pó de grafite é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial, micro glóbulos de coque e meso-carbono, e o pó de metal é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb.

[0011] De preferência, o material da camada de metal é pó de metal, e o pó de metal é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb.

[0012] De preferência, a espessura da camada de transição é de 100-500pm, a espessura da camada de grafite sendo de 1600-2400pm.

[0013] Um segundo aspecto desta invenção é prover um motor, compreendendo um alojamento, e um rotor e escovas elétricas instalados no alojamento, compreendendo ainda o comutador de acordo o primeiro aspecto desta invenção para ficar em contato deslizante com as escovas elétricas. [0014] Um terceiro aspecto desta invenção é prover um método de fabricação de comutador, compreendendo as seguintes etapas de: formar uma camada de metal, uma camada de grafite e uma camada de transição que fica ensanduichada entre a camada de metal e a camada de grafite, em que a camada de transição contendo um método idêntico ao da camada de grafite e um material idêntico ao da camada de metal; formar um corpo verde pela prensagem da camada de grafite, camada de transição e a camada de metal; e sinterizar o corpo verde.

[0015] De preferência, em que a camada de metal é formada por enchimento de pó de metal em uma matriz e, em seguida, pressionar o pó de metal, a camada de grafite sendo formada por enchimento de pó de grafite em uma matriz e, em seguida, pressionar o pó de metal e pó de grafite.

[0016] De preferência, a camada de grafite é formada em avanço e, depois, a camada de transição é formada sobre a camada de grafite.

[0017] De preferência, a camada de transição é formada em avanço e, depois, a camada de metal é formada sobre a camada de transição.

[0018] De preferência, a camada de metal é formada em avanço e, depois, a camada de transição é formada é formada sobre a camada de metal. [0019] De preferência, a camada de transição é formada em avanço e, depois, a camada de grafite é formada sobre a camada de transição.

[0020] De preferência, pó de grafite da camada de grafite é pelo menos uma selecionada de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial e micro glóbulos de meso-carbono.

[0021] De preferência, uma proporção de massa do pó de grafite na camada de transição varia de 10% a 30%, e uma proporção de massa do pó de metal varia de 70% a 90%.

[0022] De preferência, o pó de grafite é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial, micro glóbulos de coque e meso-carbono, e o pó de metal é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb.

[0023] De preferência, uma faixa de espessura da camada de transição é de 100-500pm, uma faixa de espessura da camada de grafite sendo de 1600-2400pm.

[0024] Comparada cona técnica anterior, a presente invenção resolve o problema de alta resistência e baixa eficiência de motor no projeto atual pela adição de uma camada de transição intermediária sob uma condição de sinterização a alta temperatura. O tempo de serviço do comutador é prolongado e o desempenho do motor é aumentado. O método de fabricação de um comutador provido pela presente invenção reduz a contaminação química e o custo de produção causados pela eletrogalvanização e brasagem usadas na tecnologia tradicional. A união entre o grafite e uma superfície metálica é aumentada pela tecnologia de prensagem da matriz e de sinterização.

Breve descrição dos desenhos [0025] A figura 1 é um diagrama esquemático de uma seção transversal de um motor provida por uma modalidade da presente invenção; a figura 2 é uma vista plana esquemática do comutador usado no motor da figura 1; a figura 3 é um diagrama esquemático de uma seção transversal do comutador da figura 1, mostrando uma camada de grafite, uma camada de transição e uma camada de metal de um segmento de comutador; a figura 4a é um escaneamento por microscópio eletrônico de uma mistura formada por pó de metal e pó de grafite na camada de transição do comutador da figura 2; a figura 4b é um desenho ampliado da porção V na figura 4a; a figura 5 ilustra pico de absorção atômica de elementos principais na camada de metal medido por um fotômetro de absorção atômica; e a figura 6 é um fluxograma de um método de fabricação de um comutador de acordo uma modalidade da presente invenção.

[0026] A presente invenção é adicionalmente ilustrada pela descrição detalhada a seguir de várias modalidades com referência aos desenhos acima. Descrição detalhada de várias modalidades [0027] A solução técnica e outros efeitos vantajosos da presente invenção serão óbvios através da descrição detalhada de várias modalidades da presente invenção com referência aos desenhos.

[0028] A figura 1 é um diagrama esquemático de uma seção transversal de um motor 100 de acordo uma modalidade da presente invenção. Com sua atenção à figura 1, o motor 100 compreende um estator 2 e um rotor 4 montado giratoriamente ao estator 2. O estator 2 compreende um alojamento 3, magnetos permanentes 5 montados sobre a parede interna do alojamento 3, um suporte de escova 7 montado direta ou indiretamente ao alojamento 3, e escovas elétricas 10 montadas de modo deslizante ao suporte de escova 7. O rotor 4 compreende um eixo 15, um núcleo de rotor 6 fixado sobre o eixo 15, um comutador 9 fixado sobre o eixo 15 e adjacente ao núcleo do rotor 6, e enrolamentos de rotor 8 enrolados sobre o núcleo do rotor 6. O núcleo de rotor 6 forma uma pluralidade de ranhuras de enrolamento para receber os enrolamentos 8. As escovas elétricas 10 ficam em contato deslizante com o comutador 9 de modo a comutar corrente dos enrolamentos do motor 8. O comutador 9 compreende uma superfície de contato 11a que fica em contato deslizante com as escovas 11a.

[0029] Com referência conjuntamente à figura 2, o comutador 9 é, de preferência, um comutador de grafite do tipo plano, compreendendo uma base isolante 905, uma pluralidade de segmentos de comutador 903 e terminais condutivos 904. Os segmentos de comutador 903 são distribuídos circunferencialmente sobre a base isolante 905 e mutuamente espaçados a certo intervalo, e usados para ficar em contato deslizante com as escovas elétricas 10 do motor 100. Cada segmento de comutador 903 é provido com um terminal condutivo 904. Os terminais condutivos 904 são usados para ficarem conectados aos enrolamentos 8. Um sulco isolante 907 é arranjado entre dois segmentos de comutador adjacentes 903 para isolamento elétrico. [0030] Com referência à figura 3, o segmento de comutador 903 tem uma estrutura de três camadas, compreendendo uma camada de grafite 11, uma camada de transição 12 e uma camada de metal 13. A camada de transição 12 contém um material idêntico ao da camada de grafite 11 e um material idêntico ao da camada de metal 13. A camada de grafite 11 compreende uma superfície de contato 11a afastada da camada de transição 12 para ficar em contato deslizante com as escovas elétricas 10. A camada de metal 13 é arranjada sobre a base isolante 905 (mostrada na figura 2) para ser soldada fixamente com uma extremidade de conexão do terminal condutivo 904 que se estende para a base isolante.

[0031] O material da camada de grafite 11 é pó de grafite. O pó de grafite é pelo menos um de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial e micro glóbulos de meso-carbono.

[0032] A camada de transição 12 é ensanduichada entre a camada de grafite 11 e a camada de metal 13. O material da camada de transição 12 é pó de grafite e pó de metal. A camada de transição 12 é usada para reduzir expansão termal do comutador 9 durante operação do motor. Nesta modalidade, o pó de grafite é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial, micro glóbulos de coque e meso-carbono. O pó de metal é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em um ou de combinação de pó de cobre e pó de cobre chapeado com prata.

[0033] As figuras 4a e 4b ilustram superfície sólida da camada de transição 12 observada através de um microscópio eletrônico de escaneamento. Pode ser visto que o pó de grafite e o pó de metal usados na camada de transição 12 estão em várias morfologias, como formas de flocos, ramificadas, esféricas ou irregulares.

[0034] O material da camada de metal 13 é pó de metal, de preferência, o metal sendo difícil de reagir com grafite para formar carbeto. Por exemplo, o metal pode ser pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb [0035] Com referência à figura 5, o pó de metal da camada de metal 13 nesta modalidade é mistura de pós contendo pó de cobre e pó de cobre chapeado de prata. Como visto no desenho de pico de absorção atômica, há quarto picos de absorção atômica no total, em que três dos quatro picos de absorção atômica são picos de absorção de cobre elementar, e o outro pico dos quatro picos de absorção atômica é um pico de absorção de prata elementar. O pó de metal usado na maneira de implantação tem baixa dureza e alta resistência à oxidação.

[0036] A proporção de massa do pó de grafite na camada de transição 12 é de 10% a 30%. A proporção de massa do pó de metal na camada de metal 13 é de 70% a 90%. A proporção de massa é calculada de acordo o material bruto.

[0037] O material da camada de transição 12 compreende pó de grafite, de modo que, a camada de transição 12 tem auto lubrificação como característica do grafite. O material da camada de transição 12 compreende ainda pó de metal, de modo que, a camada tenha excelente condutância termal e excelente condutividade termal.

[0038] A camada de grafite 11, a camada de transição 12 e a camada de metal 13 têm todas uma determinada espessura. A espessura da camada de transição 12 é preferida dentro de 100-500 pm. A espessura da camada de metal 13 é preferida dentro de 100-500 pm. A espessura da camada de grafite é preferida dentro de 1600-2400 pm. O material metálico usado na camada de transição 12 não é limitado entre Cu e Ag. Por exemplo, o material metálico pode ser pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em Al, Ni, Bi, Sb e outros metais.

[0039] Na presente invenção, “a espessura da camada de grafite 11”, “a espessura da camada de metal 13” e “a espessura da camada de transição 12” se referem a uma espessura observada e medida através de um microscópio óptico.

[0040] Com referência à figura 6, o método de fabricação do comutador compreende os processos a seguir.

[0041] Na etapa S101, o pó de grafite preenche uma matriz e, em seguida, uma camada de grafite 11 é formada pela prensagem do pó de grafite. O pó de grafite é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial e micro glóbulos de meso-carbono.

[0042] Na etapa S102, pó de grafite e pó de metal são colocados sobre a camada de grafite 11 e, em seguida, uma camada de transição 12 é formada sobre a camada de grafite 11 por prensagem. Nesta etapa, o pó de grafite é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial, micro glóbulos de coque e meso-carbono. O pó de metal é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em pó de cobre e pó de cobre chapeado de prata. De preferência, o pó de grafite usado para formar a camada de transição 12 é idêntico ao pó de grafite usado para formar a camada de grafite 11.

[0043] Na etapa S103, o pó de metal é disposto sobre a camada de transição 12 e, em seguida, uma camada de metal 13 é formada sobre a camada de transição por prensagem. O pó de metal é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em pó de cobre e pó de cobre chapeado de prata. De preferência, o pó de metal usado para formar a camada de metal 13 é idêntico ao pó de metal usado para formar a camada de transição 12.

[0044] Na etapa S104, um corpo verde é formado por prensagem da camada de grafite 11, a camada de transição 12 e a camada de metal 13. Na modalidade, o corpo verde prensado por uma máquina de moldar por prensagem isostática a frio (moldagem CIP).

[0045] Na etapa S105, o corpo verde é sinterizado. Temperatura de cura e de sinterização, o tempo e atmosfera do corpo verde são apropriadamente ajustados de acordo o material, forma e tamanho do pó de metal e pó de grafite. Por exemplo, as temperaturas de cura e de sinterização do corpo verde podem ser ajustadas como uma temperatura de amolecimento-derretimento do pó de metal formando a camada de metal 13. Nesta modalidade, a temperatura de cura do corpo verde é, de preferência, ajustada entre 200-450°C, e a temperatura de sinterização do corpo verde é ajustada, de preferência, entre 550-850°C.

[0046] Quando o corpo verde é sinterizado, o corpo maduro sinterizado é conectado ao terminal condutivo 904 (figura 2) e montado sobre a base isolante. O corpo maduro sinterizado é, então, entalhado para formar segmentos de comutador 903 (figura 2). Arranjados mutuamente espaçados pelos entalhes correspondentes 907 (figura 2). O terminal condutivo 904 (figura 2) pode ser conectado por soldagem ao corpo verde maduro sinterizado. A temperatura de aquecimento e uma pressão de aquecimento durante soldagem são ajustadas apropriadamente de acordo com o tipo, tamanho e área de combinação do pó de grafite e pó de metal.

[0047] Em modalidades alternativas, as etapas de fabricação do comutador podem ser reguladas. Por exemplo, primeiramente colocar o pó de metal em uma matriz para formar a camada de metal 13 por prensagem; e, em seguida, colocar uma mistura do pó de metal e pó de grafite sobre a camada de metal 13 para formar a camada de transição 12 sobre a camada de metal 13 por prensagem; e colocar o pó de grafite sobre a camada de transição 12 para formar a camada de grafite 11 sobre a camada de transição 12 por prensagem. [0048] Dever ser contemplado que o corpo maduro sinterizado é fabricado pelas etapas: formar uma camada de metal, uma camada de grafite e uma camada de transição que fica ensanduichada entre a camada de metal e a camada de grafite; formar um corpo verde por prensagem da camada de grafite, a camada de transição e a camada de metal; e sinterizar o corpo verde. [0049] Deve ser contemplado que a camada de grafite poderia ser formada em avanço e, depois, a camada de transição ser formada sobre a camada de grafite, e a camada de transição ser formada sobre a camada de transição.

[0050] Deve ser contemplado que a camada de transição é formada em avanço e, depois, a camada de transição é formada sobre a camada de metal, e a camada de grafite é formada sobre a camada de transição.

[0051] O método para fabricação do computador pode ser ainda otimizado pela regulagem da proporção entre o pó de metal e o pó de grafite na camada de transição 12, de modo que, o desempenho do comutador possa ser aumentado por certa extensão.

[0052] Em comparação com a técnica anterior, uma vez que a camada de transição contém o material idêntico ao da camada de grafite e da camada de metal, o comutador provido pela invenção resolve um problema da camada de grafite e camada de transição serem fraturadas durante sinterização a alta temperatura. A vida de serviço do comutador é prolongada. O método de fabricação do comutador provido pela presente invenção reduz a contaminação química e o custo de produção causado pela eletrogalvanização e soldagem usadas na tecnologia tradicional. A força de ligação entre o grafite e uma superfície de metal é aumentada pela tecnologia de prensagem de matriz e tecnologia de sinterização. A temperatura de cura e sinterização usada pelo método de fabricação é mais baixa, o que pode adequar a operação em um ambiente a uma maior temperatura de aplicação. O comutador provido pela modalidade da presente invenção é particularmente adequado para o motor de dispositivos de transporte de fluido como bombas de óleo e similares.

[0053] Embora a invenção esteja descrita com referência a uma ou mais modalidades preferidas, deve ser reconhecido por alguém experiente na técnica que várias modificações são possíveis. Por conseguinte, o escopo da invenção deve ser determinado pela referência às reivindicações a seguir. [0054] Na descrição e reivindicações do presente pedido, cada um dos verbos “compreender”, “incluir”, “conter” e “ter”, e suas variações, são usados em um sentido includente, para especificar a presença do item citado, mas não para excluir a presença de itens adicionais.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Comutador, caracterizado pelo fato de que compreende uma base isolante e uma pluralidade de segmentos de comutador arranjados sobre a base isolante, em que cada um dos segmentos de comutador compreende uma camada de metal, uma camada de transição e uma camada de grafite, todas arranjadas em sequência, a camada de transição contendo um material idêntico ao da camada de grafite e um material idêntico ao da camada de metal.

2. Comutador de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o comutador compreende adicionalmente uma pluralidade de terminais condutivos, cada um dos terminais condutivos sendo conectado à camada de metal correspondente a um dos segmentos de comutador.

3. Comutador de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material da camada de grafite é pó de grafite, o material da camada de metal é pó de metal, o material da camada de transição é uma mistura de pó de grafite e pó de metal.

4. Comutador de acordo a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a proporção de massa do pó de grafite na camada de transição é de 10% a 30%, e a proporção de massa do pó de metal é de 70% a 90%.

5. Comutador de acordo a figura 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o pó de grafite é pelo menos um selecionado de um grupo consistindo em grafite natural, grafite artificial, micro glóbulos de coque e meso-carbono, e o pó pde metal é pelo menos um de um grupo consistindo em Al, Cu, Ag, Ni, Bi, Sb ou uma liga pelo menos contendo um dos metais.

6. Comutador de acordo qualquer das reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de transição é de 100-500 pm, a espessura da camada de metal é de 100-500 pm e a espessura da camada de grafite é de 1600-2400 pm.

7. Motor, caracterizado pelo fato de que compreende um alojamento, e um rotor e uma escova elétrica instalados no alojamento, compreendendo adicionalmente o comutador como definido em qualquer das reivindicações 1-6 para ficar em contato deslizante com a escova elétrica.

8. Método de fabricação de um comutador, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas de: formar uma camada de metal, uma camada de grafite e uma camada de transição que fica ensanduichada entre a camada de metal e a camada de grafite em uma matriz, em que a camada de transição contendo um material idêntico ao da camada de grafite e um material idêntico ao da camada de metal; formar um corpo verde por prensagem da camada de grafite, a camada de transição e a camada de metal; e formar um corpo maduro sinterizado pela sinterização do corpo verde.

9. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: a camada de grafite é formada por: colocar pó de grafite em uma matriz, e prensar o pó de grafite; a camada de transição é formada sobre a camada de grafite por: colocar o pó de grafite e pó de metal na matriz sobre a camada de grafite, e prensar o pó de grafite e o pó de metal; a camada de metal é formada sobre a camada de transição por: colocar o pó de metal na matriz sobre a camada de transição, e prensar o pó de metal.

10. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: a camada de metal é formada por: colocar pó de metal em uma matriz, e prensar o pó de metal; a camada de transição é formada sobre a camada de metal por: colocar pó de grafite e pó de metal na matriz sobre a camada de metal, e prensar o pó de grafite e o pó de metal; a camada de grafite é formada sobre a camada de transição por: colocar o pó de grafite na matriz sobre a camada de transição, e prensar o pó de grafite.

11. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o método compreende adicionalmente: formar uma pluralidade de segmentos de comutador pelo entalhamento do corpo maduro sinterizado, dois dos segmentos de comutador adjacentes sendo espaçados por um entalhe isolante.

12. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda conectar o corpo maduro sinterizado a um membro condutor e montado sobre uma base isolante; formar uma pluralidade de segmentos de comutador e terminal condutivo pelo entalhamento do corpo maduro sinterizado e o membro condutor.