CN101060224A - 平面碳换向器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电喷燃油泵直流电机使用的平面碳换向器及其制造方法，该制造方法及组装操作简单易行。本发明的平面碳换向器，它包括一个绝缘塑料载体，复数个铜制导体部件，与这些铜制导体部件成铆接状且呈导电连接的碳制成部件，其特征在于，在所述每个碳制成部件的碳刷接触面背对面上设置有一凸出的扇形方凸块，所述的凸块是通过常规的锯、车、铣加工工艺，制成带有扇形方凸块即锚固柱脚的形状，而且在每个铜制导体部件上开设有一容碳制成部件上的扇形方凸块插入的扇形方孔，凸块的形状是铣削后自然留下的，并非特别加工形成的。

Description

平面碳换向器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电机用的换向器，特别涉及一种平面碳换向器。使用时接触电刷轴向地压靠换向器的平面接触表面(而不是在柱形换向器情况下径向地压靠)且该接触表面是由有与接触电刷接合之碳外层的若干换向片(通常以圆环形布置)来提供的。

背景技术

汽车采用电喷装置后，其燃油泵由于体积限制，未能够采用无刷电机，目前还只能使用直流电机。

电喷燃油泵是“电喷”系统的关键部件，它的作用是将汽油从燃油箱中泵入汽油管路，并使之保持一定压力、流量。电喷燃油泵是由小型电机驱动油泵，电机与油泵装置在一个密封的壳体内，然后安装在燃油箱内。

而换向器是驱动电机的关键部件，它的技术性能指标和产品质量直接影响到电机的整体性能。由于电机在旋转时电刷在换向器表面各电极之间进行换向，频繁摩擦而产生热量，转速越高，表面温度也越高，这时换向器径向和相邻极片间变形量越大，火花等级也越大，对换向器表面造成电火花的灼蚀，使得电机寿命相对缩短。尽管燃油可以使之降温，但腐蚀依然存在，加上燃油泵电机是浸泡在汽油中工作的，汽油穿过整个电机。国际上车用汽油的发展方向是：无铅、低硫、低烯、低芳，及高辛烷值，而我国目前生产的汽油含硫量普遍比较高。

目前国内外直流电机的换向器，大都采用无氧铜或银铜合金制造。而铜换向器工作面除电火花腐蚀外，更会因为硫的腐蚀而加速磨损；打开使用过的燃油泵，会发现泵体内部存有黑色的粉状固体，碳刷连接铜导线均有不同程度的腐蚀，严重的其碳刷连接铜导线电阻值上升50％，导电能力下降。换向器是受到含超量硫的汽油作用，铜与硫在换向器表面生成不导电的硫化铜，造成换向器与碳刷之间接触电阻值上升。当燃油泵在高速运转中，换向器产生高热，并将硫化铜一部分磨去，当泵停止工作之后，硫化铜又重复生成。循环以往，造成换向器严重磨损，换向器一侧的轴承孔受热变形，使得固定转子轴的二端轴承孔不同心，严重时，燃油泵转子扫膛，噪声增加，电流上升，最后导致烧毁油泵电机。

近年来，国家为改革能源结构，控制废气污染排放，制定了《车用乙醇汽油》及《变性燃料乙醇》标准。车用乙醇汽油是指在汽油中，按体积比，加入一定比例(美国和我国一般为10％，巴西为25％)的变性燃料乙醇，混配形成的一种车用燃料。它是汽油发动机专用的一种新型的环保燃料。在汽油标号前加写“E”作为车用乙醇汽油的标号。目前推广使用的E90#和E93#，E95#，E97#也将逐步推广使用。

乙醇汽油对铜换向器的铜工作面造成腐蚀将会更加加剧，使燃油泵的使用寿命大为降低。专家认为，乙醇与汽油勾兑达到10％，确实会对铜产生腐蚀作用。无论如何，我国推广使用这种新型的环保燃料势在必行。政府、专家对乙醇汽油项目的前景依然看好。国家质量监督检验检疫总局日前决定在全国范围内逐步推广使用车用乙醇汽油，并使其在两三年内占到一定的市场份额。

因此中国汽车行业已提出，迫切需要开发适用于乙醇汽油的燃油泵，但要开发生产出适用于乙醇汽油的燃油泵，首先要解决碳换向器的研制和开发生产。

除了国家推广的乙醇汽油外，市场上还有在汽油中添加甲醇的。甲醇汽油生产一直没有统一的标准，而各方涉足其中，利益的驱动导致甲醇汽油有泛滥的趋势，在此消费者无疑会成最大的受害者。根据检测甲醇汽油对汽车的油泵损害比较大，且有毒，国家应该对甲醇汽油有所规范。由于甲醇在生产、储运过程中会产生的可溶性酸、胶质、氯化物、水份等对汽车零部件有不利的影响。甲醇中的酸性物质会对金属产生腐蚀，喷油器还因甲醇中的胶质，在冬天易发生堵塞现象。燃油管(包括软管和金属管)要改变金属管镀层工艺。

综上所述原因，所以解决碳换向器的研制和开发生产来取代金属换向器，是开发及生产适应于乙醇汽油、甲醇汽油使用的燃油泵的先决条件。

目前，国际上的碳换向器采用的方法及其结构如图1所示，采用将碳片直接焊接在铜骨架上。

我国还有采用混合强力胶通过粘接方式来解决碳片与铜骨架的结合，如图2和图3所示。

参见图4和图5所示的两种碳换向器，在理论上比平面焊接或粘接，要牢靠；但加工难度很大。碳的属性是硬，而且脆，很难采用机械加工完成。如果采用嵌入铜骨架进行烧结，铜的熔点在1082℃，而碳的烧结温度在3000℃，难于实施；而且碳的加工，还需进行石墨化处理，无法实际完成。采用进行低温烧接，是否能够保证碳的强度及耐磨性，对我们目前的生产条件来说，还存在实验风险。

还有瑞士德昌机电股份有限公司在中国申请的公告号为CN1046598C发明专利，其采用每个电极制一个铜骨架，在铜骨架上也留有二个、三个与碳片锚固的孔，把它安置在绝缘酚醛塑料的基座上，参见图6。这样的结构，制作工艺相当复杂，而且对碳片的加工要求也相当高，碳(石墨)性能很脆，要想通过机械加工到如此小的锚固柱脚，难度很大。只能够采用模具压注的方法才能够达到。但采用采用模具压注的方法，又回到前面所讲到的碳的烧结问题；而且因为有二到三个锚固孔，所以对加工精度要求也较高。

(日本)Kenichi Sugiyama公司在美国申请专利，US7,051,422 B2“生产平面碳换向器的方法”，参见图7和图8。其采用圆孔来安装碳片的固定脚，碳片要加工成圆脚比较麻烦，精度要求高；碳片与铜骨架的配合要求较高。

2006年1月18日公开的乔泽.波托克尼克专利(公开号CN 1723593A)采用如图9所示的结构。这样的结构虽然比以上的结构较简单，易于生产，但碳片的加工比较麻烦，精度要求高；碳片与铜骨架的配合要求较高，而且铜骨架位置下沉较多，切割分电极槽时，相应会较深，可能会对绝缘酚醛塑料的基座强度造成影响，只有通过加厚绝缘酚醛塑料的基座来解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题第一方面提供一种用于电喷燃油泵直流电机使用的平面碳换向器。

本发明所要解决的技术问题第二方面是提供了一种上述平面碳换向器的制造方法，该制造方法及组装操作简单易行。

作为本发明的第一方面平面碳换向器，它包括一个绝缘塑料载体，复数个均匀环绕换向轴布置的铜制导体部件，和与铜制导体部件同样数量的与这些铜制导体部件成铆接状且呈导电连接的碳制成部件，所述铜制导体部件和碳制成部件呈间隔地均布在绝缘塑料载体上并与绝缘塑料载体无间隙接触，每个碳制成部件具有一个碳刷接触面，其特征在于，在所述每个碳制成部件的碳刷接触面背对面上设置有一凸出的扇形方凸块，所述的凸块是通过常规的锯、车、铣加工工艺，制成带有扇形方凸块即锚固柱脚的形状，而且在每个铜制导体部件上开设有一容碳制成部件上的扇形方凸块插入的扇形方孔，所述铜制导体部件与碳制成部件之间的具有一将铜制导体部件与碳制成部件焊接在一起的导电中间层。

在本发明的铜制导体部件下侧具有向内嵌入绝缘塑料载体中的契状弯勾，该契状弯勾深深地嵌入到绝缘塑料载体中，保证了绝缘塑料载体与铜制导体部件的牢固连接。

在本发明的绝缘塑料载体与碳制成部件内圈的结合部位上具有一向外扩张的凸缘，这样在绝缘材料载体收缩时，能产生一个力，紧紧卡住碳制成部件，使绝缘塑料载体与碳制成部件之间牢固的结合。

在本发明中，所述碳制成部件的扇形方凸块的底面突出铜制导体部件的扇形方孔，嵌入到绝缘塑料载体中，以使碳制成部件更好的与绝缘塑料载体接合。

在整个平面碳换向器外镀有一层电镀层，以防止裸露铜的氧化及提高抗腐能力。

作为本发明第二部分的平面碳换向器的制造方法，包括如下步骤：

1、取符合技术要求的碳块，车平碳刷接触面A并车内、外园B、C；

2、调头车外园D和内园E，并同时平端面F、G和H至符合要求，成型环状的凸块，要求是该碳制盘片除扇形方凸块外，车、铣的加工面必须是一个平面；

3、铣环状的凸块的间隔槽，使之成型若干扇形方凸块，最终形成碳制成部件，凸块的形状是铣削后自然留下的，并非特别加工形成的；

4、碳制成部件采用镀铜或其他可焊金属进行表面处理；

5、取符合技术要求的铜板下料，冲压成型具有内、外接触凸肩及扇形方孔的铜骨架；并同时在铜骨架下侧冲成向内的契状弯勾；

6、对步骤5成型的碳制成部件带有扇形方凸块一面涂以助焊剂，同时将步骤5的铜制导体部件的相对表面也涂以助焊剂，再将无铅锡浆即锡膏涂抹在铜制导体部件的相对表面，即夹在碳片与铜骨架之间的碳盘片组件的扇形方凸块插入铜骨架于之相配合的扇形方孔中，采用压熔焊接机进行加热、加压进行焊接，焊接时温度控制在400℃以下，因为超过450℃，碳片上的镀层会发生脱落，压力为0.5-0.7Mpa，焊接的同时挤流出多余的可焊金属(锡膏)；

7、将步骤6焊接好的铜骨架及碳盘片组件置入注射模具中，通过注塑机灌注绝缘塑料载体，注射成型后进行弯钩、抛光，再采用铣槽机按照要求进行铣槽，切断整体碳盘片组件使之成为单体的呈导电连接的碳制成部件，并切断铜骨架的连接，使之成为单体的铜制导体部件，依靠绝缘塑料载体把多个铜制导体部件和与之呈导电连接的碳制成部件连接为一个整体；

8、将步骤7的整体部件进行电镀，或者采用镀锡，以防止裸露铜的氧化及提高抗腐能力。

本发明的平面碳换向器采用的结构简单，碳制成部件与铜制导体部件之间采用扇形方孔和扇形方凸块相互咬合以及焊接的方式接触，对加工精度要求不高，提高了产品的正品率，并且接触力得到很大的增强，在工作时不存在脱落的危险。本发明更重要是直接使用碳块，通过常规的锯、车、铣等加工工艺，制成带有扇形方凸块即锚固柱脚的形状，该锚固柱脚即扇形方凸块不需要特意加工，是经过车、铣自然形成的，加工工艺简单，从而降低了碳制成部件的制造成本。而铜制导体部件采用符合要求的铜板冲压制成，基本上可以通过三到四道冲压工艺即可成型，因而也降低了铜制导体部件的制造成本。碳制成部件与铜制导体部件的配合要求不高，而且铜制导体部件位置下沉不多，切割分电极槽时，深度较浅，不会对绝缘酚醛塑料的基座强度造成影响。采用碳换向器可以防止铜与硫在换向器表面生成不导电的硫化铜，造成换向器与碳刷之间接触电阻值上升，提高燃油泵使用寿命。同时使燃油泵适合乙醇汽油和甲醇汽油，以符合可持续发展要求。

附图说明

图1为现有采用将碳片直接焊接在铜骨架上的平面碳换向器示意图。

图2为现有采用混合强胶粘将碳片与铜骨架粘接在一起的平面碳换向器示意图。

图3为图2的I处的放大示意图。

图4为现有一种碳片嵌入铜骨架的平面碳换向器示意图。

图5为现有另一种碳片嵌入铜骨架的平面碳换向器示意图。

图6为现有每个电极制一个铜骨架的平面碳换向器示意图。

图7为现有的碳片加工成圆脚的平面碳换向器铜骨架结构示意图。

图8为图7的剖视图。

图9为现有乔泽.波托克尼克专利的结构示意图。

图10为本发明的平面碳换向器的结构示意图。

图11为本发明制造方法步骤1的工艺图。

图12为本发明制造方法步骤2的工艺图。

图13为本发明制造方法步骤3的工艺图。

图14为本发明制造方法步骤5铜制骨架主视图。

图15为图14的A-A剖视图。

图16为本发明制造方法最后制成的铜制部件的横截面图。

图17为本发明制造方法步骤6的工艺图。

图18为本发明的又一实施例结构示意图。

图19为本发明的又一实施例结构俯视图。

具体实施方式

为了更好的描述本发明，下面结合附图对本发明加以说明。

如图10所示，平面碳换向器，它包括一个绝缘塑料载体1，绝缘塑料载体1有一换向轴11，绝缘塑料载体1有至少部分横向延伸的延伸端12，和八个位于该延伸端12上的凹陷13；八个绕换向轴11布置的铜制导体部件2固定到绝缘塑料载体1上，并与绝缘塑料载体1的延伸端12无间隙相结合，和与铜制导体部件2同样数量的与这些铜制导体部件2成铆接状且呈导电连接的碳制成部件3，同样，碳制成部件3与绝缘塑料载体1无间隙相结合。

每个碳制成部件3具有一个碳刷接触面31，在每个碳制成部件3的碳刷接触面31背对面上设置有一凸出的扇形方凸块32，而在每个铜制导体部件2上开设有一容碳制成部件3上的扇形方凸块32插入的扇形方孔21，并在铜制导体部件2下侧具有向内嵌入绝缘塑料载体1中的契状弯勾22，该契状弯勾22深深地嵌入到绝缘塑料载体1中，保证了绝缘塑料载体1与铜制导体部件2的牢固连接。

碳制成部件3的扇形方凸块32的底面突出铜制导体部件2的扇形方孔21，嵌入到绝缘塑料载体1的凹陷13中，以使碳制成部件3更好的与绝缘塑料载体1接合。

在绝缘塑料载体1与碳制成部件3内圈的结合部位上具有一向外扩张的凸缘14，这样在绝缘材料载体1收缩时，能产生一个力，紧紧卡住碳制成部件3，使绝缘塑料载体1与碳制成部件2之间牢固的结合。

在铜制导体部件2与碳制成部件3之间的接触面之间具有一将铜制导体部件2与碳制成部件3焊接在一起的导电中间层4。该导电中间层4为可焊接金属，如银或锡(锡膏)等。

上述平面碳换向器制造方法包括如下步骤：

1、如图11所示，取符合技术要求的碳块，车平碳刷接触面A并车内、外园B、C；

2、如图12所示，调头车外园D和内园E，并同时平端面F、G和H至符合要求，成型环状的凸块，

3、如图13所示，铣环状的凸块的间隔槽，使之成型若干扇形方凸块32，最终形成碳制成部件3；

4、碳制成部件3采用镀铜或其他可焊金属进行表面处理；

5、如图14、图15、图16和图17所示，取符合技术要求的铜板下料，冲压成型具有内、外接触凸肩23、24及扇形方孔21的铜骨架；并同时在铜骨架下侧冲成向内的契状弯勾22；

6、如图18所示，对步骤4成型的碳制成部件带有扇形方凸块32一面涂以助焊剂，将无铅锡膏涂抹在铜制导体部件的相对表面，即夹在碳片与铜骨架之间，同时将步骤6的铜制导体部件的相对表面也涂以相同的助焊剂，再将碳盘片组件的扇形方凸块32插入铜骨架于之相配合的扇形方孔21中，采用压熔焊接机，加热、加压进行焊接，焊接时温度控制在400℃以下，因为超过450℃，碳片上的镀层会发生脱落，压力为0.5-0.7Mpa，

7、将步骤6焊接好的铜骨架及碳盘片组件置入注射模具中，通过注塑机灌注绝缘塑料载体，注射成型后进行弯钩、抛光，再采用铣槽机按照要求进行铣槽，切断整体碳盘片组件使之成为单体的呈导电连接的碳制成部件3，并切断铜骨架的连接，使之成为单体的铜制导体部件2，依靠绝缘塑料载体1把八个铜制导体部件2和与之呈导电连接的碳制成部件3连接为一个整体；

8、将步骤7的整体部件进行电镀，以防止裸露铜的氧化及提高抗腐能力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1、一种平面碳换向器，包括一个绝缘塑料载体，复数个均匀环绕换向轴布置的铜制导体部件，和与铜制导体部件同样数量的与这些铜制导体部件成铆接状且呈导电连接的碳制成部件，所述铜制导体部件和碳制成部件呈间隔地均布在绝缘塑料载体上并与绝缘塑料载体无间隙接触，每个碳制成部件具有一个碳刷接触面，其特征在于，在所述每个碳制成部件的碳刷接触面背对面上设置有一凸出的扇形方凸块，所述的凸块是通过常规的锯、车、铣加工工艺，制成带有扇形方凸块即锚固柱脚的形状，而在每个铜制导体部件上开设有一容碳制成部件上的扇形方凸块插入的扇形方孔，所述铜制导体部件与碳制成部件之间的具有一将铜制导体部件与碳制成部件焊接在一起的导电中间层。

2、根据权利要求1所述的平面碳换向器，其特征在于，在所述铜制导体部件下侧具有向内嵌入绝缘塑料载体中的契状弯勾，该契状弯勾深深地嵌入到绝缘塑料载体中。

3、根据权利要求1所述的平面碳换向器，其特征在于，在所述绝缘塑料载体与碳制成部件内圈的结合部位上具有一向外扩张并卡住碳制成部件的凸缘。

4、根据权利要求1所述的平面碳换向器，其特征在于，所述碳制成部件的扇形方凸块的底面突出铜制导体部件的扇形方孔，嵌入到绝缘塑料载体中。

5、根据权利要求1所述的平面碳换向器，其特征在于，所述平面碳换向器外镀有一层电镀层。

6、一种制造权利要求1所述的平面碳换向器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取符合技术要求的碳块，车平碳刷接触面A并车内、外园B、C；

(2)调头车外园D和内园E，并同时平端面F、G和H至符合要求，成型环状的凸块，要求是该碳制盘片除扇形方凸块外，车、铣的加工面必须是一个平面；

(3)铣环状的凸块的间隔槽，使之成型若干扇形方凸块，最终形成碳盘片组件，凸块的形状是铣削后自然留下的，并非特别加工形成的；

(4)碳制成部件采用镀铜或其他可焊金属进行表面处理；

(5)取符合技术要求的铜板下料，冲压成型具有内、外接触凸肩及扇形方孔的铜骨架；并同时在铜骨架下侧冲成向内的契状弯勾；

(6)对步骤(4)成型的碳制成部件带有扇形方凸块一面涂以助焊剂，同时将步骤(5)的铜制导体部件的相对表面也涂以助焊剂，再将无铅锡膏涂抹在铜制导体部件的相对表面，即夹在碳片与铜骨架之间的面，将碳盘片组件的扇形方凸块插入铜骨架于之相配合的扇形方孔中，采用压熔焊接机加热、加压进行焊接，焊接时温度控制在400℃以下，因为超过450℃，碳片上的镀层会发生脱落，压力为0.5-0.7Mpa，焊接的同时挤流出多余的可焊金属即锡膏；

(7)将步骤(6)焊接好的铜骨架及碳盘片组件置入注射模具中，通过注塑机灌注绝缘塑料载体，注射成型后进行弯钩、抛光，再采用铣槽机按照要求进行铣槽，切断整体碳盘片组件使之成为单体的呈导电连接的碳制成部件，并切断铜骨架的连接，使之成为单体的铜制导体部件，依靠绝缘塑料载体把多个铜制导体部件和与之呈导电连接的碳制成部件连接为一个整体；

(8)将步骤(7)的整体部件进行电镀。

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