CN100399645C - 具有非线性弹簧装置的刷式小电机 - Google Patents

Abstract

一种弹簧装置，其包括一个螺旋弹簧盒、一个螺旋弹簧和一个弹簧推动件，上述螺旋弹簧盒由右侧板，左侧板，后侧板和前侧板及一个弹簧接收板形成，上述螺旋弹簧具有线性弹簧性能，而上述弹簧推动件用于把螺旋弹簧推进螺旋弹簧盒中。弹簧盒的右侧板和左侧板之间的距离设定得比螺旋弹簧的外径大一点儿。弹簧盒的后侧板和前侧板之间的距离设定得约比螺旋弹簧的外径大1.5-2倍，及弹簧盒的长度设定得小于螺旋弹簧的自由长度。当通过弹簧推动件推动螺旋弹簧时，螺旋弹簧变形并得到非线性弹簧性能。

Description

具有非线性弹簧装置的刷式小电机

技术领域

本发明涉及一种具有一非线性弹簧装置的刷式小电机，而更具体地说，涉及一种刷式小直流(DC)电机，上述刷式小DC电机具有一种螺旋弹簧作为机械部件，供在许多种电气和电子设备或机械设备，如电动工具，家庭电气化设备和商业设备等之中使用。

背景技术

在许多种电气和电子设备或机械设备中，已经使用了许多种具有线性弹簧性能的螺旋弹簧。另外，为了优化设备的性能，现已要求用具有非线性性能的螺旋弹簧代替具有线性性能的弹簧。

在电气和电子设备中广泛使用的刷式小DC电机的情况下，例如，加到一个电刷上的压力和电刷磨损速率之间的关系在图1中示出。如图1所示，当电刷压力减小时，由于整流火花放电而引起的电气磨损增加，而当电刷压力增加时，机械磨损增加。

在刷式小DC电机中使用一具有线性弹簧性能螺旋弹簧的情况下，电刷压力是处在电机运行开始阶段处机械磨损的范围内，并且当电刷的磨损增加时，电刷压力减小，以便电机在最佳范围内工作。当电刷磨损进一步增加时，电刷压力进一步减小，以便电机在由于整流火花放电而引起的电磨损范围内工作。

当电刷的有效部分磨耗时，小DC电机的使用寿命终止。

因而，理想情况是，电刷压力处于图1所示的最佳范围内，并且电刷压力的变化速率由于小DC电机运行而实际上很小。

在考虑电刷的磨损时，用于减小电刷磨损的理想弹簧性能在图2中示出。更准确地说，在图2中，在从点O到点A的范围内，螺旋弹簧的变形很小。然而，这个范围通常不用，而是在小DC电机中实际上使用从点A到点B的范围。加到弹簧上的载荷D和E分别相应于螺旋变形A和B。理想情况是，在变形A和B之间加到螺旋弹簧上的载荷变化速率实际上很小。如果螺旋弹簧的变形从点B到点C增加，则形成螺旋弹簧的各螺旋单元相互接触，并且载荷迅速增加。理想情况是从点B到点C的范围实际上不用。更准确地说，优选的是，在小DC电机中，用于推动电刷的螺旋弹簧具有如图2所示的非线性弹簧性能。

迄今为止，已知一种具有非线性弹簧性能的螺旋弹簧，如可变节距的螺旋弹簧、锥形螺旋弹簧、沙漏形螺旋弹簧、或筒形螺旋弹簧等。然而，这种弹簧通常不用。供在小DC电机中使用具有图2所示理想弹簧性能的螺旋弹簧还没有得到。

用于得到一种具有非线性弹簧性能的螺旋弹簧的方法在下列出版物中公开，即，在出版物“弹簧”Spring Technic Research Board，由Maruzen Kabushiki Kaisha在1982年10月20日发表，和出版物，Toshinobu Ichiki“供电机中用的电刷理论和实践”，由Corona Sha在1978年3月1日发表。

用于得到具有非线性弹簧性能的螺旋弹簧的其中一种方法是串联法，其中各弹簧串联连接。在这种方法中，将3个例如具有不同弹簧常数(K1、K2和K3)的螺旋弹簧如图3所示串联连接。组合式弹簧的总弹簧常数K用下面公式表示。

1/K＝1/K1+1/K2+1/K3

图4示出弹簧的变形与加到具有一非线性弹簧性能的弹簧上的载荷之间的关系。

在本发明中，一种非线性弹簧装置通过在考虑用于得到非线性弹簧性能的方法时采用一种具有线性弹簧性能的螺旋弹簧提供。

图5是常规广泛使用的刷式小DC电机的剖视图。在图5中，标号1代表电机壳体，和标号2代表一个用于形成磁极的永久磁铁，上述磁极设置在电机壳体1的内周边表面上。标号3代表一个定子组件，标号4代表一个托架，标号5代表一个刷座，上述刷座5用于固定一个电刷6和一个螺旋弹簧7，所述螺旋弹簧7用于推动电刷6，上述螺旋弹簧7安装在托架4上，及标号8和9代表电机接线端子。标号10代表一个旋转轴，标号11代表一个电枢铁芯，标号12代表一个绕组，标号13代表一个整流子，标号14代表一个转子组件，及标号15和16代表轴承。

刷式小DC电机构造简单、速度可变、成本低、和使用广泛。

图6是沿着图5中线段6-6所作的剖视图。

发明内容

例如，本发明的目的是提供一种具有一线性弹簧的非线性弹簧装置，所述非线性弹簧装置供在刷式小DC电机中使用。非线性弹簧装置用来减少载荷相对于弹簧变形的变化，以便延长刷式小DC电机的使用寿命。

本发明的弹簧装置包括一个螺旋弹簧盒，一个螺旋弹簧和一个弹簧推动件，上述螺旋弹簧盒由右侧板、左侧板、后侧板和前侧板及一个弹簧接收板形成，上述螺旋弹簧具有一种线性弹簧性能，而上述弹簧推动件用于将螺旋弹簧推入螺旋弹簧盒中，弹簧盒右侧板和左侧板之间的距离设定比螺旋弹簧的外径大一点儿，弹簧盒的后侧板和前侧板之间的距离设定约比螺旋弹簧的外径大1.5-2倍，及弹簧盒的长度设定小于螺旋弹簧的自由长度，其中，当螺旋弹簧被弹簧推动件推动时，螺旋弹簧变形并得到一种非线性弹簧性能。

本发明的另一个目的是提供一种带电刷推动弹簧装置的刷式小DC电机，上述电刷推动的弹簧装置具有一种非线性弹簧性能。电刷推动弹簧装置包括一个刷座、一个螺旋弹簧和一个电刷，上述螺旋弹簧具有一种线性弹簧性能，该螺旋弹簧插入电刷座中，及上述电刷具有一个连接部分，所述连接部分用于连接电刷和螺旋弹簧，刷座由若干侧板、一个轴向侧板、一个弹簧接收板、及托架的侧表面形成，上述各侧板安排在电机旋转方向上的上游侧和下游侧，刷座各侧板之间的距离设定比螺旋弹簧的外径大一点儿，以便螺旋弹簧可在刷座中自由地活动，刷座轴向侧板与托架侧表面之间的距离设定约比螺旋弹簧的外径大1.5-2倍，及刷座的长度设定小于螺旋弹簧的自由长度，其中，当螺旋弹簧被电刷推动的弹簧装置推动时，螺旋弹簧变形，并得到一种非线性弹簧性能。

当结合下面的说明和附图考虑时，本发明的这些和另一些情况和目的将更好的了解和理解。然而，应该理解，下面的说明尽管表明本发明的优选实施例，但所述说明是作为示例而不是作为限制给出。在不脱离本发明精神的情况下，在本发明的范围可以进行许多改变和改进，并且本发明包括所有这些改进。

对附图的简要说明

图1是示出加到电刷上的压力与电刷磨损速率之间关系的曲线图；

图2是示出具有理想弹簧性能的弹簧变形与加到弹簧上的载荷之间关系的曲线图；

图3示出一种用串联法形成的组合式弹簧；

图4是示出具有非线性弹簧性能的弹簧变形与加到弹簧上的载荷之间关系的曲线图；

图5是一种常规小DC电机的示意剖视图；

图6是沿着图5中的线段6-6所作的常规小DC电机的示意剖视图；

图7是按照本发明所述的非线性弹簧装置部件分解图；

图8是图7所示非线性弹簧装置侧剖视图；

图9是图8所示非线性弹簧装置前剖视图；

图10是示出非线性弹簧性能的曲线图；

图11是非线性弹簧装置的侧剖视图；

图12是非线性弹簧装置的侧剖视图；

图13是非线性弹簧装置的侧剖视图；

图14是示出非线性弹簧的变形与加到弹簧上的载荷之间关系的曲线图；

图15是按照本发明所述小DC电机的示意剖视图；

图16是在图15所示小DC电机的A部分处电刷推动装置放大的侧剖视图；

图17是图16所示弹簧推动装置的前剖视图；

图18是当电刷的有效部分已磨耗时弹簧推动装置的侧剖视图；

图19是图18所示的弹簧推动装置的前剖视图；及

图20是示出电刷的磨损与加到电刷上的压力之间关系的曲线图。

实施本发明的最佳方式

现在将参照附图说明本发明。

(实施例1)

图7示出本发明的一种非线性弹簧装置。如图7所示，一种具有线性弹簧性能的螺旋弹簧51插入一个象螺旋弹簧盒52那样的箱中，一个载荷通过一个弹簧推动件53加到螺旋弹簧51上。螺旋弹簧盒52的右侧板57和左侧板56之间的距离B1设定成比如图8所示螺旋弹簧51的外径约大1.5-2倍，及螺旋弹簧盒52的后侧板59和前侧板58之间的距离B2设定成如图9所示比螺旋弹簧51的外径S1大一点儿，以便螺旋弹簧51可以在螺旋弹簧盒52中移动。

如图8所示，螺旋弹簧51插入弹簧盒52中，及一个载荷F1通过上述弹簧推动件53加到螺旋弹簧51上。图9是图8所示的非线性弹簧装置朝箭头Y方向上看的横断面视图。如图8和图9所示，螺旋弹簧51与螺旋弹簧盒52的右侧板57和左侧板56完全分开，但与螺旋弹簧盒52的后侧板59和前侧板58接触，并且螺旋弹簧51的末端固定到一个螺旋接收板60上。如在图10所示的曲线G从点a到点b范围内所示，螺旋弹簧51的变形与加到螺旋弹簧51上的载荷F1之间的关系显示一种线性性能。

当加到螺旋弹簧51上的载荷增加到一个值F2时，螺旋弹簧51沿着一条曲线被压缩和变形，并在如图11所示的点P1处接触螺旋弹簧盒52的左侧板56。在这种情况下，形成螺旋弹簧51的每个螺旋单元的变形彼此不同，因此每个螺旋单元的弹簧常数变得彼此不同。因此，假定螺旋弹簧51例如分成三个分段，则第一和第三分段各具有一个弹簧常数k1，而第二分段具有一个弹簧常数k2。这样，螺旋弹簧51的总弹簧常数kb可以等效地用下面公式表示。

1/kb＝2/k1+1/k2

在这种情况下，弹簧性能在图10所示曲线G的从点b到点c的范围内示出。

当载荷增加到一个值F3时，螺旋弹簧51假定进一步被压缩并沿着一条S形曲线变形，如图12所示。在这种情况下，假定螺旋弹簧51分成五个分段，则第一和第五分段各具有一个弹簧常数k3，第二和第四分段各具有一个弹簧常数k4，及第三分段具有一个弹簧常数k5。螺旋弹簧51的总弹簧常数kc可以等效地用下面公式表示。

1/kc＝2/k3+2/k4+1/k5

螺旋弹簧51的性能在图10所示曲线G的从点c到点d的范围内示出。

当载荷进一步增加到一个值F4时，螺旋弹簧51如图13所示进一步被压缩。在这种情况下，假定将螺旋弹簧分成五个分段，则例如第一和第五分段各都具有一个弹簧常数k6，第二和第四分段各具有一个弹簧常数k7，及第三分段具有一个弹簧常数k8。螺旋弹簧51的总弹簧常数kd可以用下面公式等效地表示。

1/kd＝2/k6+2/k7+1/k8

螺旋弹簧51的性能在图10所示曲线G的从点d到点e的范围内示出。

当载荷进一步增加时，螺旋弹簧51的各螺旋单元相互密切接触，和螺旋弹簧51的性能在图10所示的曲线G的从点e到点f的范围内示出，因此螺旋弹簧51的变形达到极限。

如上所述，在本发明的非线性弹簧装置中，具有线性弹簧性能的螺旋弹簧51插入螺旋弹簧盒52中，螺旋弹簧盒52的右侧板57和左侧板56之间的距离B1设定得足够大于螺旋弹簧51的外径S1，而螺旋弹簧盒52的后侧板59和前侧板58之间的距离B2设定得比螺旋弹簧51的外径大一点儿，因此当通过弹簧推动件53将载荷加到螺旋弹簧51上时，螺旋弹簧51可在弹簧盒52内活动。

当螺旋弹簧51强制推动螺旋弹簧盒52的各侧板56-59时，可能产生摩擦损失。

(实施例2)

在本发明的实施例2中，一种具有线性弹簧性能的非线性弹簧装置用于一种刷式小DC电机中。

一种具有线性弹簧性能的螺旋弹簧的非线性弹簧装置的变形与加到上述弹簧上的载荷之间的关系，显示为图14中所示的曲线H，所述曲线H与图10所示的曲线G类似。图14中所示曲线H的从点p到点q的范围实际上用于刷式小DC电机。在曲线H中，在从点p到点r范围内载荷基本上保持恒定不变，而水平线L和M显示加到刷式小DC电机上载荷的理想范围。

图15是按照本发明所述刷式小DC电机的剖视图。小DC电机包括一个电刷21、一个用于推动电刷21的螺旋弹簧22、一个刷座23、一个托架24、一个整流子25、一个螺旋弹簧固定部分30和一个连接部分31，上述连接部分31用于将电刷21连接到螺旋弹簧22上。

图16是示出电刷21、螺旋弹簧22、刷座23、托架24和整流子25之间位置关系的前剖视放大图。

如图16所示，刷座23的轴向侧板26和托架24的侧表面27之间的距离C1设定约比螺旋弹簧22的外径D1大1.5-2倍，并且如图17所示，刷座23的两侧板28和29之间的距离C2设定比螺旋弹簧22的外径D1大一点儿，以便螺旋弹簧22可以在电刷21的轴向方向N上自由移动。

当螺旋弹簧22被压缩时，螺旋弹簧22沿着一条S形曲线变形，如图16中所示。在这种情况下，螺旋弹簧22分别在点Q1和Q2处与刷座23的侧板26及托架24的侧表面27接触，并防止被刷座23的侧板28和29弯曲。

在图16所示的情况下，电刷21被一载荷Fa压迫并与整流子25接触。

在这种情况下，假定螺旋弹簧例如被分成五个分段，则例如第一和第五分段各具有一个弹簧常数k9，第二和第四分段各具有一个弹簧常数k10，及第三分段具有一弹簧常数k11。螺旋弹簧22的总弹簧常数ke可以等效地用下面公式表示。

1/ke＝2/k9+2/k10+1/k11

图18是示出电刷21、螺旋弹簧22、刷座23、托架24和整流子25之间位置关系的侧剖视图。电刷21的有效长度按照使用情况减小。

图19是图18所示的非线性弹簧装置朝箭头X方向上看时的剖视图。如图18和19所示，电刷21的有效长度由于磨损而减小。因此，螺旋弹簧22沿着一个缓慢的S形曲线变形，并且在一个小的接触压力下分别在一个点Q4处与刷座23的侧板26和在一个点Q5处与托架24的侧表面27接触，如图18所示。另外，在一个小的接触压力下，螺旋弹簧22与刷座23的两个侧板28和29接触，如图19所示。

在图18所示的情况下，螺旋弹簧沿着一个缓慢的S形曲线变形。结果，电刷21被一载荷Fb加压并与整流子25接触。

在这种情况下，假定例如将螺旋弹簧22分成五个分段，则第一和第五分段各具有一个弹簧常数k12，第二和第四分段各具有一个弹簧常数k13，及第三分段具有一个弹簧常数k14。螺旋弹簧22的总弹簧常数kf可以等效地用下列公式表示。

1/kf＝2/k12+2/k13+1/k14

如上所述，螺旋弹簧的总弹簧常数从小DC电机起动到电刷有效长度由于磨损而变为零的状态连续地改变，因此可以得到用于推动电刷的具有非线性弹簧性能的弹簧装置。

用于推动电刷的螺旋弹簧的变形与加到电刷上的载荷之间的关系变成一条曲线，该曲线与图14所示的曲线S类似。

加到小DC电机电刷上的压力最佳值按照电刷的质量、电机的尺寸、种类或用途而改变，并且不能是特定的。然而，约140～350g/cm²的压力可优选用于一般工业中用的小DC电机或DC发电机，约200～600g/cm²的压力可优选用于家庭电器设备用的DC电机或用于小容量的DC电机，而约400～800g/cm²的压力可优选用于小汽车用DC电机。

图20中所示的曲线U示出电刷的磨损与加到按照本发明所述小DC电机电刷上的压力之间的关系。如图20所示，在相应于图16所示小DC电机开始运转阶段的点T1处，电刷压力是600g/cm²和电刷磨损长度是零mm，而在相应于图18所示小DC电机最终运转阶段的点T2处，电刷压力是235g/cm²和电刷磨损长度是8mm。

在图20中，水平线R和S限定一个理想的加到本发明小DC电机中电刷上的载荷范围。从4mm电刷磨损到8mm电刷磨损范围是优选的，因为在这个范围内电刷压力变化小。

在图20中所示的曲线V示出电刷磨损和加到用线性螺旋弹簧的常规小DC电机电刷上压力之间的关系。正如从曲线V可看出的，电刷压力按照电刷的少量磨损而降低。

当电刷压力增加到高于图20所示的水平线R时，电刷变成机械磨损范围。当电刷压力减小到低于图20所示的水平线S时，电刷变成电气磨损范围，在此处电刷压力由于整流火花放电而增加。

如上所述，曲线U的有效范围相应于从电刷磨损0mm到8mm的范围，而最有效的范围相应于电刷磨损从4mm到8mm的范围。

相反，在常规小DC电机中，相应于电刷磨损4mm到8mm的曲线V范围变成电气磨损范围和整流火花放电范围。

按照本发明，通过用一种具有线性弹簧性能的刷座、托架、电刷和螺旋弹簧制造具有一理想非线性弹簧性能的电刷推动装置，可以得到长使用寿命的刷式小DC电机。

按照本发明，具有非线性弹簧性能的电刷推动装置用于推动刷式小DC电机中的电刷，以便可以得到基本上固定不变的载荷性能。因此，本发明的小DC电机防止在整流火花放电范围内工作，并因此可以延长使用寿命。

尽管已经用本发明的一些特定实施例说明了本发明，但是很显然，对本领域的技术人员来说，许多选择方案、修改、和改变将是显而易见的。因而，如本文所述的一些本发明的优选实施例是示例性的、而没有限制的意思。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化。本发明的范围将由所附的权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种弹簧装置，其包括一个螺旋弹簧盒、一个螺旋弹簧和一个弹簧推动件，上述螺旋弹簧盒由右侧板、左侧板、后侧板和前侧板及一个弹簧接收板形成，上述螺旋弹簧具有线性弹簧性能，而上述弹簧推动件使螺旋弹簧推入螺旋弹簧盒中，弹簧盒的右侧板和左侧板之间的距离设定得比螺旋弹簧的外径大一点儿，弹簧盒的后侧板和前侧板之间的距离设定得约比螺旋弹簧的外径大1.5-2倍，从而，当所述螺旋弹簧在所述弹簧盒中被所述弹簧推动件在最佳值的范围内压缩时，所述螺旋弹簧能够沿着S形曲线变形，并且其弯曲点与弹簧盒的后侧板和前侧板接触，并且弹簧盒的长度设定得小于螺旋弹簧的自由长度，其中，螺旋弹簧得到非线性弹簧性能。

2.如权利要求1所述的弹簧装置，其中，右和左侧板之间的距离与后和前侧板之间的距离二者的比值可以任意改变。

3.一种刷式小DC电机，其具有一个电刷推动的弹簧装置，上述电刷推动的弹簧装置包括一个刷座、一个螺旋弹簧和一个电刷，上述螺旋弹簧具有线性弹簧性能，该螺旋弹簧插入到刷座中，上述电刷具有一个连接部分，所述连接部分连接着电刷和螺旋弹簧，刷座由两侧板、一个轴向侧板，一个弹簧接收板和一个托架的其中一个侧表面形成，上述若干侧板安排在电机旋转方向的上游侧和下游侧，刷座两侧板之间的距离设定得比螺旋弹簧的外径大一点儿，以便螺旋弹簧可在刷座中自由地活动，刷座的轴向侧板和托架侧表面之间的距离设定得约比螺旋弹簧的外径大1.5-2倍，从而，当所述螺旋弹簧在弹簧盒中被所述电刷推动的弹簧装置在最佳值的范围内压缩时，所述螺旋弹簧能够沿着S形曲线变形，并且其弯曲点与轴向侧板和刷座的侧表面接触，并且弹簧盒的长度设定得小于螺旋弹簧的自由长度，其中，螺旋弹簧得到非线性的弹簧性能。

4.如权利要求3所述的刷式小DC电机，其中，侧板之间的距离与轴向侧板和托架侧表面之间的距离二者的比值可任意改变。

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